節(jié)段懸臂箱形梁橋拼裝施工力學(xué)特性研究

王朝陽(yáng)

（中鐵二十一局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710065）

1 前言

德國(guó)最先對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)進(jìn)行研究，由于其平行施工，間接縮短了施工工期［1－5］。有學(xué)者提出了一種新型的異步澆筑施工技術(shù)用于解決傳統(tǒng)波紋鋼腹板梁懸臂施工缺陷問(wèn)題。Ahmed和Aziz［6］研究預(yù)制節(jié)段箱形梁橋接縫剪切力學(xué)性能。Au和Leung［7］開發(fā)出一種在增量荷載或位移下對(duì)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行全程數(shù)值分析的技術(shù)，用初始剛度法進(jìn)行迭代，得到一組滿足各單元本構(gòu)模型的容許節(jié)點(diǎn)位移和內(nèi)力。Moon等［8］通過(guò)施工順序分析，研究預(yù)制節(jié)段梁底板出現(xiàn)的裂縫，發(fā)現(xiàn)裂縫是由于在連接節(jié)段臨時(shí)后張拉過(guò)程中發(fā)生過(guò)大變形所致。Kim等［9］研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁與預(yù)制箱梁拼裝階段的靜力學(xué)行為。Naser和 Wang［10］研究了節(jié)段預(yù)應(yīng)力箱形梁的加固方法，并對(duì)其撓度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和荷載試驗(yàn)。

綜上所述，對(duì)于邊跨的一半采用支架拼裝，另一半采用龍門吊懸臂拼裝，最后合龍對(duì)接的研究較少。本文利用有限元軟件對(duì)上部橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，分析總結(jié)節(jié)段預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在施工拼裝各荷載工況下的力學(xué)性能及橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，為今后相似工程提供一定的理論依據(jù)。

2 懸臂拼裝預(yù)拋高計(jì)算及調(diào)整方法

2.1 箱形梁的基本結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目依托鄭州東四環(huán)上跨七里河南路和上跨商鼎路橋梁工程，其結(jié)構(gòu)主梁主體采用節(jié)段預(yù)制拼裝，中墩和邊墩頂0號(hào)塊采用現(xiàn)澆施工。根據(jù)構(gòu)造及施工架設(shè)需要，41～46 m跨徑的中跨、邊跨均劃分14個(gè)預(yù)制節(jié)段，38～40 m跨徑的中跨、邊跨均劃分12個(gè)預(yù)制節(jié)段［11］。懸拼預(yù)制拼裝節(jié)段長(zhǎng)度分別為2.9 m和2.4 m，腹板厚度為380 mm，底板厚度為270 mm，如圖1所示。墩頂0號(hào)塊與預(yù)制節(jié)段間設(shè)置15 cm濕接縫，跨中合龍段采用現(xiàn)澆施工。主梁采用單箱單室等高斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。頂板設(shè)單向橫坡，利用箱梁整體旋轉(zhuǎn)形成［12］，3×46 m節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁橋是本項(xiàng)目跨度最大的典型橋梁。

圖1 1號(hào)和2號(hào)塊梁體截面（單位：m）

2.2 現(xiàn)澆梁段立模標(biāo)高計(jì)算

（1）立模標(biāo)高計(jì)算公式

立模標(biāo)高計(jì)算公式（以變形向上為正，向下為負(fù)）：

式中：H立模為立模標(biāo)高；H設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)標(biāo)高；f支架為支架的變形；f后期施工影響為后續(xù)施工階段的變形；f后期徐變?yōu)榭⒐ず蠡炷潦湛s徐變引起的變形。

竣工標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的關(guān)系：

式中：H竣工為橋梁竣工標(biāo)高；H二期恒載為橋梁二期恒載產(chǎn)生的變形。

（2）節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁預(yù)拋高值

經(jīng)計(jì)算，邊跨預(yù)拋高值最大值為19.6 mm，中跨預(yù)拋高值最大值為2.3 mm，結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 中跨橋梁預(yù)拋高值

圖3 邊跨橋梁預(yù)拋高值

2.3 預(yù)拋高值調(diào)整方法

0號(hào)塊支架現(xiàn)澆箱形梁的預(yù)拋高值通過(guò)調(diào)整立模標(biāo)高來(lái)完成，即在節(jié)段箱形梁設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上增加預(yù)標(biāo)高值作為立模標(biāo)高，如圖4所示。

圖4 0號(hào)塊箱形梁標(biāo)高關(guān)系

預(yù)制拼裝梁段預(yù)拋高值通過(guò)濕接縫調(diào)整來(lái)完成，即通過(guò)調(diào)整0號(hào)塊和1號(hào)塊梁體間的濕接縫上下開口實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 1號(hào)塊箱形梁標(biāo)高關(guān)系

3 線形控制措施

3.1 控制目標(biāo)

節(jié)段梁體的線形控制取決于預(yù)制和拼裝兩個(gè)施工環(huán)節(jié)，在節(jié)段箱形梁懸臂拼裝階段控制要點(diǎn)如下：

（1）“T”型懸臂拼裝線形控制必須確保橋墩0號(hào)塊箱形梁三維坐標(biāo)的定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

（2）邊跨支架拼裝線形控制用龍門吊將箱形梁段吊至預(yù)定位置，精確定位箱形梁的三維坐標(biāo)，進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)與調(diào)整。

（3）在進(jìn)行節(jié)段箱形梁懸臂拼裝施工時(shí)，由于混凝土材料的特殊性，其彈性模量的計(jì)算存在誤差，節(jié)段箱形梁自重、預(yù)制時(shí)的線形誤差以及預(yù)應(yīng)力張拉等因素對(duì)箱形梁的撓度有很大影響，在懸臂拼裝時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整。

3.2 拼裝控制措施

在節(jié)段箱形梁理想拼裝狀態(tài)下，無(wú)需進(jìn)行線形調(diào)整，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)稱張拉，保證節(jié)段箱形梁的線形。由于在進(jìn)行懸臂拼裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的線形誤差，因此以控制節(jié)段箱形梁方向偏轉(zhuǎn)的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿先張拉為原則。如圖6所示，假設(shè)頂板N＋2＃箱形梁監(jiān)測(cè)的豎向位置坐標(biāo)偏低，為了糾正該線形，應(yīng)當(dāng)張拉使N＋2＃節(jié)段箱形梁上翹的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，同理，可張拉底板的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力使箱形梁下偏。

圖6 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力施加順序?qū)€形控制影響

4 拼裝懸臂箱形梁施工力學(xué)分析

4.1 計(jì)算模型

（1）道路等級(jí)：城市快速路、主線高架快速路，80 km／h；上部主體結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為Ⅰ類。

（2）地震作用：根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016 年版）［115］規(guī)定地震基本烈度為8度，加速度為0.15 g，場(chǎng)地特征周期為0.55 s，抗震設(shè)防類別為乙類。

（3）混凝土：1號(hào)～7號(hào)塊節(jié)段預(yù)制箱形梁采用C60混凝土，濕接縫；合龍段采用C60自密實(shí)細(xì)石混凝土。

4.2 節(jié)段箱形梁撓度分析

在模擬施工時(shí)，墩頂0號(hào)塊箱形梁澆筑設(shè)為工況1，濕接縫與1號(hào)塊箱形梁施工設(shè)為工況2，2號(hào)～7塊箱形梁拼裝設(shè)為工況3～工況7，合龍段澆筑設(shè)為工況8。

（1）工況1～工況8主梁撓度

支架拼裝近邊墩一側(cè)箱形梁，龍門吊懸臂拼裝中墩“T”型節(jié)段箱梁。1～8工況下拼裝撓度如圖7所示。

圖7 1～8工況豎直方向拼裝撓度

在1～8工況施工階段，“T”型拼裝豎直方向的最大撓度為45.308 mm，最大撓度出現(xiàn)在工況8梁端部位；邊跨中半段梁體采用支架進(jìn)行拼裝，豎直方向的最大撓度為21.60 mm，最大撓度同樣出現(xiàn)在工況8梁端部位?？梢姡S著拼裝梁段數(shù)量不斷增加，梁端撓度值隨之增大。

（2）合龍段及橋面二期撓度

如圖8所示，對(duì)比分析合龍段撓度與橋面二期撓度，可以看出兩種工況下?lián)隙茸兓傮w趨于一致，豎直方向的最大撓度出現(xiàn)在邊跨與中跨的跨中，合龍段工況下的最大撓度值為30.980 mm，橋面二期最大撓度值為38.020 mm。

圖8 合龍段及橋面二期撓度

4.3 彎矩及剪力分析

隨著施工進(jìn)行，每個(gè)階段的梁體彎矩均產(chǎn)生顯著變化，彎矩值不斷變大，“T”型拼裝節(jié)段箱形梁最大值彎矩出現(xiàn)在中墩箱形梁截面的頂部；在進(jìn)行邊跨支架拼裝節(jié)段箱形梁時(shí)，最大正彎矩值出現(xiàn)在拼裝箱形梁端部，最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在梁底部。對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到主梁結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)產(chǎn)生的彎矩值。

（1）工況1～工況7彎矩分析

主梁結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)彎矩計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 工況1～工況7下支架拼裝主梁彎矩M1 kN·m

表2 工況1～工況7下“T”型拼裝主梁彎矩M2 kN·m

由表1可知，邊跨在進(jìn)行支架拼裝時(shí)，最大正向彎矩值為8 678.30 kN·m，最大負(fù)向彎矩值－5 590.5 kN·m。由表 2 可知，在進(jìn)行“T”型拼裝時(shí)，最大彎矩值不斷增加，最大正向彎矩值為49 514.0 kN·m，最大負(fù)向彎矩值為－152.81 kN·m。

（2）工況1～工況7下剪力分析

“T”型拼裝和邊跨支架拼裝時(shí)的剪力最大值計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

表3 工況1～工況7支架拼裝主梁剪力f1 kN

表4 工況1～工況7下“T”型拼裝主梁剪力f2 kN

由表3可知，邊跨在進(jìn)行支架拼裝時(shí)，最大正向剪力為2 497.90 kN，最大負(fù)向剪力－2 186.8 kN。由表4可知，在進(jìn)行“T”型拼裝時(shí)，最大正向剪力為5 005.30 kN，最大負(fù)向剪力為－300.2 kN，最大負(fù)向剪力的變化較為穩(wěn)定。

（3）最大懸臂狀態(tài)施工力學(xué)分析

中跨和邊跨在7號(hào)塊拼裝結(jié)束后剪力和彎矩計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 最大懸臂狀態(tài)內(nèi)力分布

由圖9可知，龍門吊拼裝產(chǎn)生的最大彎矩值為63 852.0 kN·m，因此在拼裝7號(hào)塊梁體時(shí)，應(yīng)當(dāng)在6號(hào)塊梁體處采取臨時(shí)支撐措施，以減小懸臂拼裝時(shí)梁體的彎矩。

5 結(jié)論

（1）本橋施工工藝包含節(jié)段懸臂拼裝、節(jié)段支架拼裝和支架現(xiàn)澆三種，通過(guò)對(duì)中跨和邊跨拋高值進(jìn)行理論計(jì)算，得出邊跨的預(yù)拋高最大值為19.6 mm，中跨的預(yù)拋高最大值為2.3 mm。線形調(diào)整方面，0號(hào)塊支架現(xiàn)澆箱形梁的預(yù)拋高值通過(guò)調(diào)整立模標(biāo)高實(shí)現(xiàn)，預(yù)制拼裝梁段預(yù)拋高值通過(guò)濕接縫調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬表明：隨著拼裝梁段數(shù)量不斷增加，其梁端撓度值不斷增大，豎直方向最大撓度為45.30 mm。

（3）在進(jìn)行“T”型拼裝時(shí)，正彎矩和剪力對(duì)梁體影響最大；而邊跨在進(jìn)行支架拼裝時(shí)，正負(fù)彎矩和剪力會(huì)同時(shí)對(duì)梁體產(chǎn)生較大影響。因此在拼裝7號(hào)塊梁體時(shí)，應(yīng)當(dāng)在6號(hào)塊梁體采取臨時(shí)支撐措施，以減小懸臂拼裝時(shí)梁體的彎矩。