懸澆過程中主梁標(biāo)高變更對(duì)連續(xù)梁橋受力性能的影響分析

方 龔

（福州海峽建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司，福州 350000）

1 前言

近年來， 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋廣泛地運(yùn)用在實(shí)際工程中，它具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養(yǎng)護(hù)簡單以及抗震性能優(yōu)等特點(diǎn)[1]。 大跨徑連續(xù)梁橋施工通常采用懸臂澆筑， 該施工方法充分利用了預(yù)應(yīng)力混凝土承受負(fù)彎矩能力強(qiáng)的特點(diǎn)， 提高了橋梁的跨越能力[2]。 和支架施工法橋梁一次成型不同，懸臂澆筑經(jīng)歷多個(gè)施工階段， 后續(xù)的施工過程會(huì)影響之前已澆筑節(jié)段的標(biāo)高， 懸臂澆筑施工方法的難點(diǎn)在于控制實(shí)際高程同設(shè)計(jì)高程一致。

倘若施工過程遇到某些特殊情況臨時(shí)變更接線工程的設(shè)計(jì)標(biāo)高，則需要對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)設(shè)計(jì)變更后的標(biāo)高與原先設(shè)計(jì)相比相差較大時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致施工過程中主梁的懸臂兩側(cè)不對(duì)稱。既有研究表明，懸臂兩側(cè)不對(duì)稱施工對(duì)于橋梁有著多方面的影響。

為此， 本文以一座懸澆施工過程中主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高發(fā)生變更的連續(xù)梁橋?yàn)閷?duì)象， 采用有限元分析方法研究主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)支座、臨時(shí)錨固結(jié)構(gòu)，以及施工與成橋階段主梁受力性能與安全性的影響， 可為今后類似橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 工程概況

2.1 總體布置

本文工程背景為一座新建的連續(xù)梁橋， 大橋主橋位于福州市西郊，跨越閩江北港。 背景橋梁分雙幅布置，左右幅孔跨布置均為 （2×32.5）m+（72+132+72）m+（45+2×40）m。 其中，主橋?yàn)椋?2+132+72）m 的預(yù)應(yīng)力混凝土空腹式連續(xù)梁。 下部結(jié)構(gòu)采用板式墩，群樁基礎(chǔ)。 大橋總體布置如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置圖

2.2 臨時(shí)支座與臨時(shí)錨固結(jié)構(gòu)

大橋3# 及4# 橋墩沿縱橋向每側(cè)各有1 個(gè)臨時(shí)支座，單個(gè)臨時(shí)支座的尺寸為100cm×1550cm，采用C50 混凝土，見圖2（a）。 懸澆施工過程中，每個(gè)臨時(shí)支座中配置12 根Φ32 精軋螺紋鋼用于臨時(shí)錨固橋墩與主梁結(jié)構(gòu)。精軋螺紋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為785MPa， 每根張拉控制力為434kN，臨時(shí)錨固構(gòu)造見下圖2（b）與（c）。

2.3 設(shè)計(jì)標(biāo)高變更方案

圖2 臨時(shí)支座與臨時(shí)錨固構(gòu)造圖

主橋采用懸臂施工， 懸臂澆筑部分的混凝土主梁共分15 個(gè)節(jié)段，邊跨設(shè)置支架現(xiàn)澆段。 主橋合龍順序?yàn)橄冗M(jìn)行邊跨合龍，后進(jìn)行中跨合龍。 主梁右幅橋3# 墩完成0#～7# 節(jié)段施工，4# 墩完成0#～9# 節(jié)段施工時(shí)，由于特殊原因需要降低小里程側(cè)（2# 墩側(cè)）的接線高程0.153m，見圖3 與圖4。

由于背景橋梁僅對(duì)小里程側(cè)主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，是否會(huì)對(duì)橋梁臨時(shí)支座、臨時(shí)錨固，以及施工與成橋階段主梁的受力性能與安全性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行分析。

圖3 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更時(shí)施工進(jìn)度示意圖

圖4 設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整示意圖

3 有限元模型

3.1 全橋模型建立

為對(duì)比分析懸澆施工過程中設(shè)計(jì)標(biāo)高變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響， 根據(jù)背景橋梁主橋的橋型布置與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)， 本文采用MIDAS/Civil 軟件建立有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

本文背景橋梁的有限元模型見圖5， 大橋各構(gòu)件均采用梁單元模擬， 全橋共847 個(gè)節(jié)點(diǎn)，808 個(gè)梁單元，其中主梁單元100 個(gè)，主墩單元76 個(gè)。在有限元模型中，通過更改高程變更梁段對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁設(shè)計(jì)高程調(diào)整的模擬。 模型中充分考慮了施工及成橋階段下橋梁各部分結(jié)構(gòu)剛度的模擬和各種荷載的作用過程。

有限元模型的主要材料有C55 混凝土、Strand1860預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其材料基本參數(shù)按照規(guī)范進(jìn)行取值。有限元模型考慮的永久荷載主要包括混凝土梁自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮及徐變二期恒載等； 考慮的可變荷載主要包括移動(dòng)荷載、體系溫度荷載、梯度溫度等；考慮的施工階段荷載主要包括掛籃荷載、施工臨時(shí)荷載等。

圖5 有限元模型

3.2 臨時(shí)支座與錨固結(jié)構(gòu)模型建立

本文將臨時(shí)支座的混凝土結(jié)構(gòu)沿豎向劃分成11 個(gè)單元，這些單元通過橫向聯(lián)系連接整體，橫向聯(lián)系的剛度按照剛度等效的原理求得。 臨時(shí)支座的混凝土分別與橋墩和主梁結(jié)構(gòu)剛性連接。 臨時(shí)錨固用的精軋螺紋鋼筋與對(duì)應(yīng)位置的混凝土剛性連接， 并也與橋墩和主梁結(jié)構(gòu)剛性連接。 模型見圖6。

圖6 有限元臨時(shí)錨固模型

臨時(shí)固結(jié)處于最不利受力狀態(tài)時(shí)， 應(yīng)分別計(jì)算平衡荷載與不平衡荷載工況下臨時(shí)固結(jié)的受力狀況。因此，不平衡荷載工況下， 臨時(shí)固結(jié)除了考慮上文3.1 節(jié)中所提到的荷載外，還考慮了混凝土不對(duì)稱澆筑、一側(cè)掛籃移動(dòng)時(shí)動(dòng)力效應(yīng)、一側(cè)混凝土超打等荷載作用。

4 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更影響分析

4.1 對(duì)臨時(shí)支座與錨固結(jié)構(gòu)的影響

本文根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004） 的規(guī)定， 對(duì)主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前、后的臨時(shí)支座混凝土進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算，其中，最大懸臂施工階段3 號(hào)墩處靠2 號(hào)墩處的臨時(shí)支座混凝土應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見圖7。 從圖7 中可以看出：主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)支座混凝土應(yīng)力影響較小，變更前、后臨時(shí)支座混凝土應(yīng)力分別為-2.08MPa 和-2.16MPa，均小于0.7fck′=-24.85MPa，滿足要求。

圖7 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)支座應(yīng)力的影響

本文根據(jù) 《預(yù)應(yīng)力用混凝土精軋螺紋鋼筋》（GB/T 20065-2006）的規(guī)定，對(duì)主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前、后臨時(shí)錨固的精軋螺紋鋼筋進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。其中，最大懸臂施工階段3 號(hào)墩處靠4 號(hào)墩處臨時(shí)錨固的精扎螺紋鋼應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見圖8。 從圖8 中可以看出：主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)支座混凝土應(yīng)力影響較小， 變更后精軋螺紋鋼筋最大法向正應(yīng)力為-128MPa，小于-785MPa，滿足要求。

圖8 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

4.2 對(duì)施工階段主梁受力性能的影響

4.2.1 施工預(yù)拱度

橋梁懸臂施工中， 要確保橋梁結(jié)構(gòu)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的線形，需要合理確定每一待澆節(jié)段的預(yù)拱度，其中，施工預(yù)拱度是懸澆橋梁總預(yù)拱度的重要組成部分。因此，本文采用有限元方法分析主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變化前后對(duì)的施工預(yù)拱度的影響。

圖9 為主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整前后的施工預(yù)拱度計(jì)算結(jié)果。 從圖9 中可以看出：主梁設(shè)計(jì)高程調(diào)整前、后施工預(yù)拱度差值最大為0.31mm，表明主梁設(shè)計(jì)高程調(diào)整對(duì)施工預(yù)拱度的影響較小。結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，同時(shí)考慮到預(yù)施工主梁節(jié)段與已施工主梁節(jié)段施工預(yù)拱度的連續(xù)性，故洪山橋2 號(hào)墩～3 號(hào)墩之間8#～17# 節(jié)段的施工預(yù)拱度仍可按調(diào)整前的施工預(yù)拱度進(jìn)行取值。因此，背景橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高的變化對(duì)于橋梁線形的平順度調(diào)整影響很小，可保證橋梁行車舒適性。

圖9 主梁標(biāo)高調(diào)整對(duì)施工預(yù)拱度的影響

4.2.2 主梁受力性能

本文分析了各施工階段下主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)主梁內(nèi)力與應(yīng)力的影響， 現(xiàn)僅以最大懸臂施工階段和主跨合龍階段為例， 介紹主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)主梁彎矩與應(yīng)力的影響，見圖10 與圖11。 從圖10 與圖11 中可以看出：最大懸臂施工階段下，主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前后，主梁最大彎矩分別為88927kN·m 和89022kN·m，主梁最大應(yīng)力分別是-9.82MPa 和-9.87MPa；中跨合龍階段下，主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前后， 主梁最大彎矩分別為42325kN·m 和42981kN·m，主梁最大應(yīng)力分別是-9.50MPa 和-9.65MPa。因此， 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變化前后主梁應(yīng)力最大變化量為-0.15MPa，懸澆過程中主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高的變化不會(huì)對(duì)背景橋梁結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響。

4.2.3 主梁穩(wěn)定性

懸澆施工過程中， 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高的變化可能對(duì)主梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響， 且對(duì)最大懸臂施工階段主梁的穩(wěn)定性影響最大。 為此，本文分析了最大懸臂施工階段下，設(shè)計(jì)標(biāo)高變化前后主梁的穩(wěn)定性。 設(shè)計(jì)標(biāo)高變化前后主梁的失穩(wěn)形態(tài)一致，均為圖12 所示，彈性穩(wěn)定系數(shù)分別為2465 和2374，均滿足大于4 的要求。

圖10 主梁標(biāo)高調(diào)整對(duì)最大懸臂階段主梁受力的影響

圖11 主梁標(biāo)高調(diào)整對(duì)中跨合龍階段主梁受力的影響

圖12 最大懸臂階段主梁整體彈性失穩(wěn)形態(tài)

4.3 對(duì)成橋階段主梁受力性能的影響

主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)成橋階段主梁彎矩與應(yīng)力的影響見圖13。 從圖13 中可以看出： 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前后， 成橋階段主梁最大彎矩分別為63599kN·m 和65901kN·m，主梁最大應(yīng)力分別是-9.76MPa 和-9.83MPa，主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變化前后主梁應(yīng)力最大變化量為-0.07MPa，因此主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高的變化不會(huì)對(duì)背景橋梁成橋階段的安全性產(chǎn)生影響。

圖13 主梁標(biāo)高調(diào)整對(duì)成橋階段主梁受力的影響

5 結(jié)論

本文采用有限元分析方法， 研究了懸澆施工過程中主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整對(duì)臨時(shí)錨固結(jié)構(gòu)、臨時(shí)支座，以及施工階段與成橋階段主梁受力性能的影響， 主要得到以下結(jié)論，可為今后類似橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考：

（1） 懸澆過程中主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)臨時(shí)支座與臨時(shí)錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較小， 變更后臨時(shí)支座混凝土與臨時(shí)錨固鋼筋的應(yīng)力分別為-2.16MPa 和-128MPa， 滿足要求。

（2） 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)施工階段主梁受力性能的影響分析表明：設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前后，主梁施工預(yù)拱度的最大差值為0.31mm， 主梁應(yīng)力最大變化量為-0.15MPa，主梁穩(wěn)定系數(shù)分別為2465 和2374； 設(shè)計(jì)標(biāo)高變化對(duì)背景橋梁施工階段主梁受力性能的影響較小。

（3） 主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高變更對(duì)成橋階段主梁受力性能的影響分析表明： 設(shè)計(jì)標(biāo)高變更前后， 主梁彎矩由63599kN·m 增大至65901kN·m，主梁應(yīng)力由-9.76MPa 增大至-9.83MPa； 設(shè)計(jì)標(biāo)高變化對(duì)背景橋梁成橋階段主梁受力性能的影響較小。