現(xiàn)澆分段長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)體法施工連續(xù)梁橋受力影響研究

全文義

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司 烏魯木齊市 831100)

近年來(lái)，隨著我國(guó)橋梁工程的大規(guī)模發(fā)展，連續(xù)梁橋作為最常見的橋型之一，已在公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。適用于連續(xù)橋梁施工的方法很多，如懸臂澆注法、轉(zhuǎn)體法、頂推法等，不同施工方法對(duì)連續(xù)梁橋受力性能影響存在一定差異，其中轉(zhuǎn)體法可以在不影響交通的情況下完成施工，同時(shí)還能降低施工成本，是當(dāng)下橋梁建設(shè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的施工方法之一。

我國(guó)關(guān)于轉(zhuǎn)體法施工方法的施工工藝、技術(shù)要點(diǎn)以及控制措施等方面的研究相對(duì)完善，在變形控制和受力特性方面也形成了許多的規(guī)范和典籍，但在眾多研究中極少學(xué)者提到轉(zhuǎn)體法施工階段現(xiàn)澆分段長(zhǎng)度的影響，基于此，本文結(jié)合工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬深入研究了不同現(xiàn)澆分段長(zhǎng)度對(duì)平轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋應(yīng)力和位移的影響，其結(jié)論可為轉(zhuǎn)體法施工方法在橋梁工程中的應(yīng)用研究提供借鑒。

1 工程背景

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

以某連續(xù)梁橋?yàn)檠芯勘尘埃摌蛉L(zhǎng)270m，寬25.5m，共分三聯(lián)，一、三聯(lián)為引橋，第二聯(lián)主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為30m+60m+30m，主橋采用先支架分段現(xiàn)澆梁體后平面轉(zhuǎn)體的方法進(jìn)行施工。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，墩頂與中跨合龍?zhí)幜焊叻謩e為7.5m和4.8m，底板寬為6.5m，頂板厚為45cm，底板厚由45cm呈直線變化至120cm，腹板厚度由55cm變化至105cm，在梁端支點(diǎn)、中跨及中支點(diǎn)位置共設(shè)5個(gè)設(shè)有孔洞的橫隔板。轉(zhuǎn)盤尺寸為長(zhǎng)15.8m×寬10.5m×高3.8m，轉(zhuǎn)臺(tái)的高度為1.8m，直徑為9.8m。主墩承臺(tái)厚度為4.5m，樁基礎(chǔ)采用直徑為1.5m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為38m。橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖

1.2 轉(zhuǎn)體法施工方案

該橋主梁施工分為轉(zhuǎn)體段、邊跨合龍段及中跨合龍段三個(gè)部分，主橋5#墩和6#墩“T”構(gòu)為轉(zhuǎn)體段部分，采用支架分段現(xiàn)澆的施工方法。一般連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體段的分段長(zhǎng)度在2～8m范圍，若受地形條件的限制，分段長(zhǎng)度也可延伸至20m左右。該主橋轉(zhuǎn)體段(60m+60m)兩個(gè)“T”構(gòu)原設(shè)計(jì)分為9段進(jìn)行混凝土澆注，后考慮到工期較長(zhǎng)以及成本控制的原因，最終決定采用5段現(xiàn)澆混凝土方案施工。同時(shí)，為了分析轉(zhuǎn)體段分段長(zhǎng)度對(duì)連續(xù)梁橋受力的影響，設(shè)計(jì)如表1所示3種分段方案進(jìn)行模擬分析，以下方案均是在該橋施工階段研究和討論過可行的備選方案。

表1 不同分段長(zhǎng)度施工方案

2 建立模型

通過運(yùn)用結(jié)構(gòu)軟件MIDAS/CIVIL對(duì)轉(zhuǎn)體段主梁進(jìn)行有限元分析，根據(jù)原橋設(shè)計(jì)參數(shù)建立主梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，準(zhǔn)確模擬主梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)、材料特性以及連接方式，并對(duì)不同分段方案主梁施工階段進(jìn)行模擬分析，以得到精確可靠的計(jì)算結(jié)果，其有限元模型如圖2所示。

圖2 主梁有限元模型示意圖

該橋建模時(shí)共劃分為18個(gè)施工階段，分析時(shí)需考慮連續(xù)梁由0#塊施工至合龍階段最大懸臂狀態(tài)，合龍過程至連續(xù)梁完工全部體系轉(zhuǎn)換過程以及二期恒載對(duì)成橋產(chǎn)生的影響，同時(shí)假定預(yù)應(yīng)力布置和橋梁構(gòu)造均保持不變，除分段現(xiàn)澆長(zhǎng)度和拆架過程不同外，其余施工階段均保持一致。轉(zhuǎn)動(dòng)體系采用球面轉(zhuǎn)動(dòng)體系，主梁、橋墩及轉(zhuǎn)盤區(qū)域均采用C50強(qiáng)度混凝土，樁基采用C30強(qiáng)度混凝土，其他承臺(tái)區(qū)域采用C40強(qiáng)度混凝土。轉(zhuǎn)體箱梁預(yù)應(yīng)力體系采用三向預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力材料采用高強(qiáng)度低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。主要材料參數(shù)如表2所示。

表2 主要材料參數(shù)

3 結(jié)果與分析

為了研究分段長(zhǎng)度對(duì)橋梁受力的影響，通過運(yùn)用有限元軟件分別模擬3種不同分段方案的施工過程，并針對(duì)澆注完成、支架拆除后，處于懸臂狀態(tài)的轉(zhuǎn)體段上、下緣應(yīng)力，以及在不考慮現(xiàn)澆梁與底膜支架間摩阻力作用，且配筋相同條件下不同分段方案的轉(zhuǎn)體段水平位移和豎直沉降變化規(guī)律展開對(duì)比分析，詳細(xì)模擬結(jié)果如下。

3.1 轉(zhuǎn)體段應(yīng)力分析

通過運(yùn)用有限元軟件建立轉(zhuǎn)體段3種不同分段澆注施工方案分析模型，并針對(duì)不同分段施工轉(zhuǎn)體段最大懸臂狀態(tài)下上、下緣應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同分段施工方案-應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

圖3 不同分段方案-轉(zhuǎn)體段應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖3可知，上述3種分段施工方案轉(zhuǎn)體段的上、下緣應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，不同分段施工方案在最大懸臂狀態(tài)下，轉(zhuǎn)體段上、下緣應(yīng)力以墩頂(60m位置)為中心線呈對(duì)稱分布。轉(zhuǎn)體段上緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力作用，3種分段施工方案壓應(yīng)力由梁端至墩頂呈先增后減趨勢(shì)變化，在轉(zhuǎn)體段50m和70m處壓應(yīng)力為最大值，約為-9.48MPa，此時(shí)墩頂上緣應(yīng)力約為-5.96MPa。下緣應(yīng)力在靠近兩側(cè)梁端出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力作用，其余部位均為壓應(yīng)力作用，3種分段施工方案壓應(yīng)力由梁端至墩頂同樣呈先增后減趨勢(shì)變化，在轉(zhuǎn)體段50m和70m處壓應(yīng)力為最大值，約為-8.6MPa，此時(shí)墩頂上緣應(yīng)力約為-7.24MPa。綜合來(lái)看墩頂轉(zhuǎn)體段上緣應(yīng)力比下緣應(yīng)力大了約1.28MPa，下緣最大壓應(yīng)力作用相對(duì)于轉(zhuǎn)體段上緣小了約-0.88MPa，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)不同分段方案下轉(zhuǎn)體段上、下緣應(yīng)力作用相差不大，加上轉(zhuǎn)體后3種施工方案的施工流程和工藝均相同，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)體段應(yīng)力作用產(chǎn)生影響，由此表明分段施工長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)體段應(yīng)力影響不大。

3.2 轉(zhuǎn)體段水平位移分析

通過運(yùn)用有限元軟件建立轉(zhuǎn)體段3種不同分段澆注施工方案分析模型，并針對(duì)不同分段施工轉(zhuǎn)體段最大懸臂狀態(tài)下各截點(diǎn)水平位移變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同分段施工方案-水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 不同分段方案-轉(zhuǎn)體段水平位移變化曲線

根據(jù)圖4可知， 在不考慮現(xiàn)澆梁宇底模支架間的摩阻力，且配筋一致的條件下，3種分段施工方案轉(zhuǎn)體段水平位移以墩頂為中心呈對(duì)稱分布，越靠近懸臂端位置，3種分段施工方案轉(zhuǎn)體段的累計(jì)水平位移差距越大，越靠近墩頂處，不同分段施工方案轉(zhuǎn)體段的累計(jì)水平位移差距越小，在轉(zhuǎn)體段40～80m范圍時(shí)，3種分段施工方案的水平位移變化大致相似，說(shuō)明分段數(shù)量對(duì)轉(zhuǎn)體段墩頂附近的水平位移影響較小，對(duì)懸臂端的水平位移影響較大。方案三中懸臂端(0m、120m處)至墩頂中心(60m處)轉(zhuǎn)體段累計(jì)水平位移不斷減小，在懸臂端累計(jì)水平位移為最大值，約10.1mm。方案二中懸臂端至墩頂中心轉(zhuǎn)體段累計(jì)水平位移呈先減后增再減再增趨勢(shì)變化，經(jīng)分段施工后轉(zhuǎn)體段累計(jì)水平位移有所減小，懸臂端累計(jì)水平位移相對(duì)于方案一下降了約5.78mm，且在靠近懸臂端20m左右范圍內(nèi)轉(zhuǎn)體段累計(jì)水平位移均出現(xiàn)較大程度減小。方案一相對(duì)于方案二，懸臂端減小的累計(jì)水平位移值和轉(zhuǎn)體段水平位移值減小長(zhǎng)度再次有所提升，由此表明分段越多，懸臂端的累計(jì)水平位移越小，懸臂端與墩頂中心的水平位移差值越小，有利于降低轉(zhuǎn)體段整體的水平變形。

3.3 轉(zhuǎn)體段沉降分析

通過運(yùn)用有限元軟件建立轉(zhuǎn)體段3種不同分段澆注施工方案分析模型，并針對(duì)不同分段施工轉(zhuǎn)體段最大懸臂狀態(tài)下關(guān)鍵截點(diǎn)豎直沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同分段施工方案-沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 不同分段方案-轉(zhuǎn)體段沉降變化曲線

根據(jù)圖5可知，在懸臂狀態(tài)下3種分段施工方案轉(zhuǎn)體段豎向沉降以墩頂為中心呈對(duì)稱分布，越靠近懸臂端位置，3種分段施工方案轉(zhuǎn)體段的累計(jì)豎向位移差距越大，越靠近墩頂處，不同分段施工方案轉(zhuǎn)體段的累計(jì)豎向位移差距越小。方案一和方案二在懸臂端(0m、120m處)轉(zhuǎn)體段累計(jì)豎向位移均為負(fù)值，分別為-22.16mm和-19.36mm，表現(xiàn)為下?lián)希桨溉趹冶鄱宿D(zhuǎn)體段的累計(jì)豎向位移為正值，均為7.3mm，表現(xiàn)為上拱。不同分段施工方案在墩頂中心(60m處)轉(zhuǎn)體段累計(jì)水平位移基本一致，約為0.8mm，由此表明分段施工對(duì)轉(zhuǎn)體段墩頂附近的豎向沉降影響較小，而對(duì)轉(zhuǎn)體段懸臂端的豎向沉降影響較大，分段越多，轉(zhuǎn)體段懸臂端下?lián)衔灰圃酱蟆?/p>

4 結(jié)論

以實(shí)際工程為研究對(duì)象，通過運(yùn)用有限元軟件模擬平轉(zhuǎn)法連續(xù)梁橋施工過程，針對(duì)不同分段施工方案的轉(zhuǎn)體段上、下緣應(yīng)力、累計(jì)水平位移以及豎向沉降變化規(guī)律展開對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論:不同分段施工方案下的轉(zhuǎn)體段上、下緣應(yīng)力變化基本一致，表明橋梁應(yīng)力與分段施工沒有直接關(guān)系；分段施工對(duì)轉(zhuǎn)體段墩頂中心處的累計(jì)水平位移和豎向沉降影響較小，對(duì)懸臂端的影響較大；分段越多，懸臂端的累計(jì)水平位移越小，懸臂端與墩頂中心的水平位移差值越小，有利于降低轉(zhuǎn)體段整體的水平變形；分段越多，轉(zhuǎn)體段懸臂端下?lián)衔灰圃酱螅虼嗽趯?shí)際工程中轉(zhuǎn)體段施工應(yīng)根據(jù)分段澆注數(shù)量合理設(shè)置預(yù)拱度，以防止轉(zhuǎn)體段懸臂端出現(xiàn)較大下?lián)希瑥亩绊憳蛄航Y(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。