高墩大跨連續剛構橋施工周期差對線形控制影響

梁 超，郝旅飛，何延龍

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

0 引言

連續剛構橋墩梁固結且主梁連續，同時具有連續梁和T型剛構的受力特點，具有行車平順、便于懸臂施工和抗震性能良好等優點[1]。西部山區，公路沿線地質條件復雜多變，而高墩大跨連續剛構橋具有很強的跨越能力且投資較低，在西部高等級公路建設中得到廣泛的應用[2]。高墩大跨徑連續剛構橋梁通常采用懸臂施工法，需經歷復雜的施工過程以及結構體系轉換過程，施工過程中受各種因素的隨機影響，會導致建成的實際結構狀況和理想狀況存在偏差，因此在施工過程中對橋梁進行線形控制十分重要[3-4]。

對于多跨連續梁橋的懸臂施工，在設計時都是按各個懸臂段同時施工[5]，實際施工過程中由于大型施工設備的運輸困難或地質條件不良，可能會造成各橋墩之間施工進度不一樣，即存在施工周期差。通常在進行線形控制時不考慮施工周期差帶來的影響，本文以新莊特大橋為例，分析了橋墩間施工周期差對線形的影響程度，為同類橋梁的施工控制提供參考。

1 橋梁概況

新莊特大橋位于新莊鄉新莊村，中心樁號為ZK10+486，橋梁全長1096 m。本橋單幅橋橋寬12 m，主橋上部采用預應力混凝土懸臂澆筑連續剛構，最大橋面高度178 m主橋共8個懸澆T構，每個T構施工過程中共分24個梁段。主墩采用變截面空心薄壁墩，最大墩高165 m。過渡墩采用等截面空心墩，基礎采用樁基礎。

引橋上部采用預應力混凝土連續T梁，最大墩高約69 m，橋墩采用圓柱墩、空心薄壁墩，基礎采用樁基礎；橋臺采用重力臺、擴大基礎。本橋位于直線、圓曲線及緩和曲線上，橋梁跨徑按道路設計線布置，橋梁墩臺徑向布設。橋梁立面布置見圖1。

圖1 新莊特大橋立面布置圖（單位：cm）

2 高墩大跨度連續剛構橋線形控制方法

2.1 施工控制分析方法

施工控制的分析的方法主要有：正裝計算法、倒裝計算法和無應力狀態法[6]。

新莊特大橋采用懸臂施工方法，施工過程需要考慮與時間相關的混凝土收縮徐變和預應力損失。單獨使用倒裝計算法很難考慮與時間相關的因素，通過倒裝和正裝兩種方法的交替迭代計算，可以更好的分析混凝土收縮徐變的影響[7]。

2.2 立模標高計算

施工時模板的放樣標高即立模標高。控制立模標高是控制線形最有效的手段，立模標高采用的計算公式如下：

式中：Hilm為待澆梁段前端掛籃底模板標高；Hisj為待澆梁段前端底板設計標高 (由設計單位提供)；fy為本梁段預拱度，fy=fc+fs，其中，fc為本梁段成橋預拱度，fs為本梁段施工預拱度（包括恒載、預應力、混凝土收縮徐變、施工荷載引起的撓度）；ft為立模標高調整值。

根據多年來工程實踐知，目前我國跨中成橋預拱度值一般取L/1000-L/1500（中孔跨徑），邊孔最大撓度一般發生在3/4L處，約為中孔最大撓度的1/4。

施工預拱度的計算公式如下：

式中：fs為施工預拱度；fgi為掛籃彈性變形值，由掛籃設計和預壓得知；fxi為混凝土收縮徐變對i階段的影響；fki為1/2靜活載在i階段產生的撓度；Σfzi為各梁段自重在i階段產生的撓度；Σfyi為張拉預應力對i節段撓度的影響。

3 有限元模型建立

使用MIDAS/CIVIL建立新莊特大橋的有限元模型。計算模型根據施工圖紙中懸臂施工梁段的劃分、梁段的長度、每個支點的位置、截面的尺寸、梁頂和梁底的變化曲線等控制因素將主梁劃分為240個單元。模型根據實際施工情況，定義27個施工階段。計算荷載包括結構自重、預應力荷載、掛籃荷載和混凝土濕重。有限元模型見圖2。

圖2 新莊特大橋有限元模型

橋墩下端設置為固結，預應力箱型梁兩端設置成沿橋梁方向的滾動支座。為了使橋墩和預應力箱型梁在連接位置有相同的位移，使用彈性連接中連接類型選項中的剛性連接將其連接起來，邊界條件設置見圖3。

圖3 有限元模型邊界條件

4 施工周期差對橋梁線形的影響

新莊特大橋施工過程中，7號墩處的地質情況復雜，工期較其他橋墩延誤較大。7號墩封頂時，施工最快的8號墩已經完成封頂253d，存在較大的施工周期差。本節將分析橋墩間施工周期差對橋梁施工預拱度和合龍段梁端撓度的影響。

4.1 計算工況設置

在MIDAS/CIVIL中可以通過添加時間荷載的方式來模擬各墩之間存在的施工周期差。時間荷載添加在8、9、10號墩上，可以模擬7號墩相對于8、9、10號墩施工進度的延誤。

為分析不同時長的施工周期差對線形的影響，共設置以下5種工況：

工況一：不添加時間荷載；

工況二：8、9、10號墩添加30 d時間荷載；

工況三：8、9、10號墩添加60 d時間荷載；

工況四：8、9、10號墩添加180 d時間荷載；

工況五：8、9、10號墩添加365 d時間荷載。

4.2 各工況施工預拱度對比

設置施工預拱度是為了消除施工過程中各種荷載對橋梁線形產生的影響。計算施工預拱度需要計算各個施工階段的撓度值。本節的施工預拱度計算采用絕對撓度法，也就是只考慮各梁段在立模以后產生的撓度，各梁段之間撓度相互獨立。

運用MIDAS/CIVIL有限元軟件,查看最后一個施工階段在所有施工荷載（CS:合計）下的變形值，變形值的相反數即為施工預拱度。各工況下的橋梁施工預拱度對比見圖4。

圖4 各工況施工預拱度對比

從圖4中可以看出，施工預拱度的圖形在各橋墩墩頂的位置有突變，這是因為0號塊的變形與墩頂變形保持一致。施工預拱度從1號塊到20號塊在逐漸增大，這是因為懸臂澆筑過程中已完成的結構不僅要承受一期恒載還要承受施工荷載，隨著懸臂的延伸，結構所受荷載不斷的增大，相應的總變形值也變大。20號塊后施工預拱度值又快速減小，這是因為端部的預應力引起的反拱值較大。

隨著施工周期差的增大，8、9、10號墩懸臂的施工預拱度也在增大，說明施工周期差對線形控制有一定程度的影響。

與無施工周期差的工況一相比，不同施工周期差下8、9、10號墩懸臂的施工預拱度相差的極值見圖5。

圖5 施工預拱度相差極值

從圖5中可以看出，隨著施工周期差的增大，施工預拱度相差的極值也在增大。在施工周期差較小時，差異并不明顯，在施工周期差較大時，施工預拱度存在較明顯的差異。施工周期差達到365d時，8、9、10號墩懸臂的施工預拱度分別最大相差3.85 mm、4.25 mm和7.02 mm。8、9號墩懸臂的施工預拱度受施工周期差的影響較小，10號墩施工預拱度受施工周期差的影響較大。

4.3 各工況合龍段梁端撓度差值

最大懸臂狀態的梁端撓度會影響到橋梁的合龍。新莊特大橋7號墩施工延誤，為分析施工周期差對7號墩懸臂和8號墩懸臂之間合攏的影響，運用Midas有限元軟件計算各工況下7號墩與8號墩合龍前的梁端撓度差值，計算結果見圖6。

圖6 7號墩與8號墩合龍段梁端撓度差值

從圖6中可以看出7號墩和8號墩合龍前梁端撓度的差值隨著施工周期差的增大而增大，施工周期差達到365d時，合龍前梁端撓度的差值增大了3.13 mm。

5 施工周期差對墩頂變形的影響

5.1 不同施工周期差時的墩頂變形

橋墩間的施工周期差對墩頂變形有較大的影響，本節將分析8、9、10號墩在所有施工荷載作用下，不同施工周期差時的墩頂變形。計算工況的設置與第4節中相同。8、9、10號墩在不同施工周期差下的墩頂變形見圖7。

圖7 墩頂變形

從圖7可以看出，隨著施工周期差的增大，8、9、10號墩的墩頂變形也在增大。在施工周期差較小時，墩頂變形增大的不明顯，在施工周期差達到180 d后，墩頂變形的差距變得明顯。8、9、10號墩的墩頂變形受施工周期差影響的程度不同，這與各墩的高度差異有關。8、9、10號墩墩高分別為152 m、165 m和87 m。

5.2 不同作用下的墩頂變形

為研究施工周期差帶來的墩頂變形差異是由哪些作用導致的，以8號墩作為分析對象，分析不同施工周期差時，在自重、收縮和徐變作用下的墩頂變形見圖8。

圖8 不同作用下墩頂變形圖

從圖8可以看出，施工周期差主要影響的是收縮和徐變作用下的墩頂變形，而對自重作用下的墩頂變化無影響。即使施工周期差為0 d時，也存在很多的徐變和收縮變形，這是因為收縮徐變在混凝土齡期較低時進展較快，在橋墩封頂時，大部分的徐變已經完成。

6 結 語

本文通過分析新莊特大橋各橋墩間施工周期差對線形控制的影響，得出如下結論：

（1）各墩間存在施工周期差時，施工進度快的懸澆T構應設置更大的施工預拱度；

（2）施工周期差會增大合龍段梁端撓度差值，給橋梁合攏帶來不利影響；

（3）施工周期差對線形的影響，隨著時間差的增大而增大，但增大的趨勢在逐漸變緩。在施工周期差較小時，其對線形的影響可忽略不計，為簡化施工監控可不考慮其影響。