鐵路大跨度預應力混凝土連續梁橋施工過程分析

謝宏偉， 羅曉光

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前，我國高速鐵路橋梁進入建設的高峰期，預應力混凝土連續梁橋[1-3]在高速鐵路橋梁中應用非常廣泛。預應力混凝土連續梁橋的施工方法多種多樣，有支架現澆法、懸臂澆筑法、懸臂拼裝法、頂推施工法、移動模架法等，其中懸臂澆筑法應用最普遍[1,4,5]。大跨度預應力混凝土連續梁橋懸臂澆筑施工過程復雜,施工控制難度大，所以橋梁結構在施工過程中事故頻發，例如某軌道交通5號線橋梁在澆筑過程中發生梁體斷裂、支架現澆橋梁失穩事故等，并且大跨度橋梁需要經歷多個施工階段才能建成，每個施工階段都影響著橋梁最終成橋的內力和線型，所以對于橋梁結構施工過程分析顯得尤為重要。

1 工程概況

某鐵路的一座三跨變截面預應力混凝土連續梁橋，跨徑為(90+180+90) m，橋梁立面圖如圖1所示。主梁全長360 m，橋梁全寬14.2 m，中支點處局部加寬為16.5 m，截面為單相雙室箱梁截面，主梁最低點梁高在端支座為5.5 m，中支點處梁高11 m。主梁采用C55高強度混凝土，預應力筋采用抗拉強度為1860 MPa鋼絞線，由于采用懸臂澆筑的施工方法，邊跨共劃分為19個現澆塊段，中跨共劃分為39個現澆塊段[6]。

圖1 (90+180+90)m連續梁立面圖

2 施工過程分析

2.1 有限元模型

使用有限元軟件ANSYS 17.0軟件建立預應力混凝土連續梁的有限元模型，主梁的縱橫比較大，所以采用單梁法建模便可以獲得相對準確的縱向力學特性[7，8]，預應力的輸入采用等效荷載法進行模擬，主梁及橋墩采用Beam 188單元、支座采用MPC 184單元，采用剛性桿連接主墩和主梁，主墩底部固結，全橋共劃分為345個節點和866個單元。

圖2 三跨預應力連續梁有限元模型

2.2 施工階段應力分析

在ANSYS中通過生死單元功能[9]可以查看主梁每個施工階段的內力。依據圖紙和施工方案，全橋共劃分為22個施工階段，施工過程中計算荷載考慮恒載、掛籃荷載及施工臨時荷載。

從表1可以看出,在橋梁各個施工階段中，最大壓應力為16.7 MPa,最大拉應力為0.6 MPa,均小于規范及圖紙允許C55混凝土最大壓應力值35.3 MPa和最大拉應力值2.74 MPa[6]。主梁混凝土的抗壓強度安全系數為35.3/16.7=2.1，混凝土抗裂安全系數為2.74/0.6=4.5，兩者均大于圖紙規定強度安全系數2.0和抗裂安全系數1.2。連續梁中跨合攏段張拉預應力后，主梁全截面受壓，也符合高速鐵路橋梁的設計理念。

表1 施工階段主梁應力值

2.3 橋梁預拱度

大跨度橋梁在施工過程中，橋梁線形是施工控制的重難點，合理的成橋線形是保證結構合理的內力的關鍵。橋梁線形的控制主要是通過施工過程中施加預拱度實現的，橋梁預拱度為恒載作用下主梁撓度反向值[10-12]，主梁撓度如圖3所示。而且將計算得到的理論預拱度值，施加到有限元模型相應各個節點，進行正裝計算，還可以得到連續梁成橋后主梁理論線形。通過成橋后實測線形與主梁理論計算線形進行對比，便可檢驗橋梁成橋線形是否達到預期目標。

圖3 恒載作用主梁計算撓度(單位：mm)

從圖3可以看出,橋梁在中跨3/4處撓度最大，為-70 mm左右，邊跨最大撓度位于1/4邊跨長度位置，為-50 mm。由于主梁跨度比較大，橋梁在施工過程中應該更加注意對橋梁線形的監測，保證主梁合理的成橋線形。

2.4 全橋合攏后最不利荷載工況分析

連續梁合攏后，由于施工組織安排，運梁車會途經連續梁，運梁車和所運輸的預制梁總荷載大于運營階段高鐵的車輛荷載，所以需要對這一階段進行受力分析和監測。本文主要分析運梁車荷載分別布置在中跨跨中和邊跨跨中兩種最不利位置。YLL550運梁車長度43.4 m、寬度2.7 m，自重為170 t，所運標準混凝土預制梁自重370.8 t。將重量疊加簡化成均布荷載形式施加到有限元模型中。選取兩種工況進行分析，工況一：均布荷載布置在中跨跨中；工況二：均布荷載布置在邊跨跨中。位移結果如圖4所示，內力計算結果在下一節匯總。

圖4 位移UZ(單位：m)

圖4a顯示運梁車荷載布置在連續梁中跨時，中跨跨中撓度最大為-37 mm,邊跨靠近中墩3/4位置上撓10 mm左右。圖4b顯示荷載布置在邊跨時，邊跨跨中撓度最大為-12 mm,中跨靠近中墩3/8位置上撓10 mm左右。

3 實測結果與計算結果對比

3.1 測點布置

在每個箱梁節段端部截面中間布置高程觀測點，如圖5a所示。

應力測試傳感器采用長沙金碼埋入式智能弦式應變計，應力測試斷面為主梁邊跨1/4斷面中支點斷面、中跨1/4斷面、中跨跨中斷面。測點布置在箱梁底板和頂板，箱梁橫斷面測點布置如圖5b所示。

圖5 測點布置示意圖

3.2 實測結果對比與分析

3.2.1 中跨合攏后主梁線形實測值與理論值對比

如圖6所示。

圖6 主梁理論線型與實測線型對比(單位：mm)

圖6顯示,除個別點實測數據偏離理論值外，實測結果與理論計算線型基本吻合，整體實測值與理論值誤差在5%以內，施工線形控制達到了預期目標。

3.2.2 全橋合攏后最不利荷載工況現場實測

不同工況下主梁的現場實測線形與理論線形對比如圖7所示。

圖7 位移UZ(單位：mm)

工況一和工況二的現場實測值與計算值對比結果見表2、表3。忽略個別點測量誤差，荷載分別位于中跨與邊跨時，位移實測值與理論計算值接近。

表2 工況一：中跨荷載(單位：MPa)

表3 工況二：邊跨荷載(單位：MPa)

觀察表2和表3，顯示主梁在兩種工況下考慮自身恒載及運梁車荷載，連續梁全截面受壓，現場實測值整體比理論計算值小，結構設計偏安全，其中最大壓應力為17.3 MPa左右，小于規范規定混凝土強度35.3 MPa，且安全系數大于2.0，所以橋梁在承受運梁車荷載狀況下，結構處于安全狀態，具有足夠的安全儲備。

4 結 論

本文建立(90+180+90) m預應力混凝土連續梁橋施工全過程有限元模型，對其進行施工階段分析，得到各個施工階段應力和橋梁預拱度，并分析結構在施工過程中可能出現的最不利荷載工況，將現場實測數據與有限元模型理論計算值進行對比。結果一方面表明，橋梁實際成橋線形與理論計算線形相吻合，施工過程線形控制合理；在橋梁經歷最不利荷載階段，結構處在安全受力狀態，具有充足的安全儲備；另一方面顯示，實測數據與理論計算值相接近，這也驗證了有限元模型計算的正確性。