懸澆時差下不同施工方案對連續剛構橋的影響研究

鄒蘭林，管洪正，周興林

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081）

1 引言

近年來，預應力連續剛構橋以其施工方便、造價經濟、受力合理、行車舒適等優勢，越來越受設計人員和建造者的青睞。

由于橋梁建設工程具有投資額度大、建設周期長、風險因素多等特點，在項目的實際開展過程中常常會遇到懸澆時差的問題［1］。而懸澆時差會引起先完成澆筑的懸臂產生一定幅度的下撓，后澆筑的懸臂如果按照之前的設計規范和標準進行澆筑，澆筑完成時合攏段必然會出現豎向合攏誤差。合攏是橋梁施工過程中最終的一個重要的步驟，因此合理消除誤差對順利進行合攏程序至關重要［2］。選擇消除誤差的方案不僅要考慮施工的方便性、消除誤差的合理性，還要考慮對成橋線型和結構應力的影響［3-5］。

2 合攏誤差消除方案

2.1 豎向壓重強制合攏

豎向壓重強制合攏是現階段消除豎向合攏誤差最常用的方案，所謂豎向壓重強制合攏，就是為了能順利進行正常的合攏程序，在高懸臂端施加附加壓重，使高懸臂端產生豎向位移后剛好與低懸臂端處于同一水平線上［6-7］。其原理，如圖1所示。連續剛構橋右懸臂因懸澆時差原因已產生△的下撓，此時左懸臂按原設計立模標高進行澆筑，完成澆筑時合攏段兩懸臂的豎向誤差為△，為了順利進行合攏施工，必須保持兩懸臂端處于同一水平線上。因此，合攏時在左側高懸臂端垂直施加一個向下的力F，使左側高懸臂端產生豎向位移，最終使兩懸臂端剛好處于同一水平線上，然后進行合攏段施工。

圖1 豎向壓重強制合攏Fig.1 Vertical Pressure Forced to Close

2.2 調整節段標高消除誤差

所謂調整節段標高消除誤差，就是對于因懸澆時差已產生下撓的懸臂，在其對稱懸臂進行澆筑時，對每一個節段的立模標高進行相應的調整，從而達到在對稱懸臂澆筑完成時，兩懸臂端處于同一水平線上的目的，如圖2所示。在調整節段標高時，既要保證完成澆筑時懸臂端處于同一水平線上，還要保證橋梁線型的美觀。

圖2 調整節段標高順接Fig.2 Adjusting the Segment Elevation

2.2.1 節段標高調整原理

懸臂澆筑過程中，在掛籃上通過調整和控制模板高程來實現橋面的線型控制［8-9］，由于模板的后端已經與成橋段對接，所以其高程已經確定，因此只能經由掛籃前吊桿來調整模板的高程。而高程的控制又是通過預拱度來實現，故立模標高公式如下［10-11］：

式中：Hi—i點的立模標高；hi—i點的設計標高；ygi—i點的預拱度；fi—i點的調整值；cni—i-1段產生的撓度；sni—i段在施工中所產生的撓度。

因此，節段調整后的立模標高為：

式中：Hi調—調整后的i端立模標高；a—i端所在現澆節段長度；L—整個懸臂完成后的長度；△—因懸澆時差懸臂端下撓（上撓）的撓度，△下撓為負，上撓為正。

3 有限元模擬分析

3.1 建立模型

所采用的預應力混凝土連續剛構橋跨徑布置為（55+100+55）m，梁體為變截面形式，底板采用2 次拋物線，中支點梁高6.5m，跨中梁高2.6m，支座處直線段長度4m，跨中處直線段長度取合攏段長度，為2m，中墩橫隔梁為1.8m，邊支點橫隔梁為1.5m，墩高45m。梁體采用C55混凝土，橋墩采用C50混凝土，縱向預應力鋼絞線采用標準強度磁=1860MPa，直徑15.24mm，公稱截面積140ram2，張拉控制應力1395MPa。邁達斯模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

3.2 數值模擬分析結果

全橋橋面共劃分為83個節點，82個單元；每個橋墩為16個節點，15個單元。因懸澆時差中跨右懸臂已產生下撓，合攏誤差方案采用理想狀態、合攏誤差在容許范圍內（10mm）、合攏誤差超過容許范圍50%（30mm）分別進行強制合攏和調整節段標高后合攏的有限元模擬。

3.2.1 線型影響分析

數值模擬分析后，不同合攏誤差下，兩種方案合攏后二期恒載作用下主梁各截面位移值對比，如圖4所示。成橋5年后主梁各截面位移值對比，如圖5所示。

圖4 二期恒載作用下主梁各截面位移對比Fig.4 Comparison of Displacement of Each Section of the Main Beam Under the Action of the Second-Stage Dead Load

圖5 成橋5年后主梁各截面位移值對比Fig.5 Comparison of Displacement Values of Main Sections of the Main Beam after 5 Years of Bridge Formation

分析結果表明：在二期恒載作用下，兩種合攏方案合攏后成橋的線型與理想狀態相比有很大的差別。與理想狀態相比，兩種方案下成橋中跨出現明顯的下撓，其中，通過調整節段標高方案的線型變化最大，強制合攏的線型變化相對較小，但依然明顯。通過調整節段標高對邊跨線型幾乎沒有影響，但強制合攏對邊跨線型依然有較為明顯的影響。誤差越大，兩種方案對橋梁線型的影響越大。分析結果表明：成橋5年后，與理想狀態相比較，兩種方案對線型的影響依然明顯。強制合攏的線型變化相對于調整節段標高要小，調整節段標高線型變化相對較大，兩種方案均是中跨變形明顯。同時強制合攏依然對邊跨線型有較明顯的影響，而調整節段標高對邊跨線型幾乎沒有影響。同樣，誤差越大，兩種方案對橋梁線型的影響越大。

3.2.2 結構應力影響分析

數值模擬分析后，不同合攏誤差狀態下兩種方案合攏后成橋二期恒載作用下主梁各截面應力值，如圖6所示。成橋5年后主梁各截面應力值，如圖7所示。

圖6 各種狀態下兩種方案合攏二期恒載作用后主梁各截面應力值Fig.6 Stress Values of Various Sections of the Main Beam after the Two Schemes are Closed in Two States Under Various Conditions

圖7 各種狀態下兩種方案合攏成橋5年后主梁各截面應力值Fig.7 Stress Values of the Main Beams of the Main Beam after the Two Schemes are Closed in 5 Years

分析結果表明：與理想狀態相比，兩種方案不同合攏誤差下合攏后，在加載二期恒載后橋梁的上翼緣應力差值較小，下翼緣應力差值較大。無論是上翼緣應力值還是下翼緣應力值，通過調整節段標高后合攏的橋梁應力分布均非常接近理想狀態，且對邊跨幾乎沒有影響；而強制合攏后的橋梁應力分布與理想狀態相差較大，特別是下翼緣，且對中跨的應力分布影響最大，對邊跨也有較為明顯的影響。誤差越大，兩種方案對橋梁應力分布的影響越大。

分析結果表明：與理想狀態相比，成橋5年后橋梁的應力分布依然存在著較大差異，在上翼緣的應力分布中，通過調整節段標高后合攏的橋梁應力分布比較接近理想狀態，而強制合攏的橋梁應力分布與理想狀態有較明顯的差別，特別是中跨；在下翼緣的應力分布中，應力分布差值相較于上翼緣明顯要大，通過調整節段標高后合攏的橋梁應力分布仍然很接近理想狀態，中跨影響略微明顯，但邊跨幾乎沒有影響，而強制合攏的橋梁應力分布與理想狀態有較大的差值，尤其是中跨影響十分明顯，且對邊跨也有較為明顯的影響。誤差越大，兩種方案對橋梁應力分布的影響越大。

4 結果

通過模擬分析，對強制合攏和通過調整節段標高后合攏對于成橋結構線型及應力分布的影響進行分析，得出如下結論：（1）相比于理想狀態，兩種方案對橋梁中跨線型都有影響，強制合攏影響相對較小；但強制合攏對橋梁邊跨線型仍有一定程度的影響，而通過調整節段標高對邊跨線型幾乎沒有影響。合攏誤差越大，兩種方案對線型的影響越大。（2）兩種方案對橋梁主梁應力分布均有影響，通過調整節段標高后合攏的橋梁主梁應力分布比較接近于理想狀態，且只對中跨有一定程度的影響，而對邊跨的影響并不明顯；強制合攏對橋梁的應力分布影響較為明顯，特別是中跨，影響最大，且對邊跨依然有較明顯的影響。合攏誤差越大，兩種方案對應力分布的影響越大。

強制合攏由于附加壓重強制使高懸臂端產生豎向位移，使之與低懸臂端處于同一水平線上，合攏段施工完成之后，撤去附加壓重，低懸臂端就會受到高懸臂端向上的拉應力，高懸臂端受到低懸臂端向下的拉應力。低懸臂端由于受到向上的拉應力，故其撓度會相對減小，因此，強制合攏方案與理想狀態相比，結構應力變化較大，線型變化相對較小。而通過調整節段標高順接合攏沒有附加壓力，只改變立模標高，合攏段完成施工后，兩懸臂只受重力以及混凝土徐變等影響，且在調整立模標高進行澆筑時，懸臂線型已經與理想狀態有所差異。因此，調整節段標高順接方案與理想狀態相比，結構應力變化相對較小，而線型變化相對較大。