某橋梁工程項目主橋合攏段力學性能分析

侯 杰

（貴州大通路橋工程建設有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

掛籃懸澆從連續橋橋墩0#塊對稱推進，可最大限度確保下部凈空通行，在普通連續梁橋和連續剛構橋施工中廣泛應用。其中節段合攏施工是掛籃懸澆施工重難點，其施工工藝復雜，施工精度要求高，控制難度大，非常考驗現場監控測量技術能力[1-3]。為提高橋梁合攏段掛籃懸澆技術水平，該文以實體工程為依托，展開合攏段力學性能分析，可為后續施工提供數據支撐。

1 工程概況

某橋梁設計跨徑862.7 m，主橋為四跨預應力鋼筋混凝土連續梁橋，跨徑組合為（50+80+80+50）m。箱梁設計采用縱向、橫向、豎向預應力鋼束形成三向預應力體系，剛腹板、懸臂頂板、節段合攏板鋼絞線規格分別為15Φs15.2鋼絞線、12φs15.2鋼絞線、9Φs15.2鋼絞線，縱向預應力張拉應力為1 339.2 MPa。

2 合攏段施工方案

橋梁主橋跨徑為80 m，懸臂段長39 m，中跨合攏段施工流程如下：

（1）依次澆筑樁基礎、承臺、橋墩、支撐架、主墩墩頂0#塊；施作墩頂臨時固定，0#塊縱向、橫向、豎向預應力張拉，按批次進行孔道灌漿作業[4-5]。

（2）按掛籃安裝規程完成0#塊掛籃安裝，開展預壓作業，消除非彈性變形，安裝模板，進行1#、1’#、1”#塊懸臂澆筑施工；混凝土養護至設計強度90%，開展預應力張拉施工，按批次開展孔道灌漿作業。

（3）前移掛籃，安裝下一施工節段模板，開展2#、2’#、2”#塊懸臂澆筑施工，養護至設計強度90%，開展預應力張拉施工，并分批次進行孔道灌漿作業。

（4）按上述作業流程，依次對稱施作3#～9#塊、3’#～9’#塊和3”#～9”#塊懸臂現澆、構件養護、預應力施工、孔道灌漿作業，9#塊、9’#塊、9”#塊懸臂澆筑施工時，同時完成邊跨的現澆段澆筑施工。

（5）節段合攏施工前，將掛籃體系轉換為合攏吊架，澆筑邊跨合攏段混凝土，養護至設計強度90%，開展剩余預應力張拉施工，并分批次開展孔道灌漿作業。

（6）拆除邊跨、8#、10#主墩支架及臨時固定，第10孔合攏段施工前，將其掛籃轉換為施工吊架，進行第10孔合攏段澆筑施工，混凝土養護至設計強度90%時，依次開展縱向、橫向、豎向預應力施工。

（7）拆除第10孔施工吊架、9#墩臨時固定，第9孔施工前，將其施工掛籃轉換為合攏吊架，進行第9孔合攏段混凝土澆筑作業，養護至設計強度90%時，開展預應力施工及孔道灌漿作業[6-7]。

（8）鋪裝橋面，成橋驗收。

3 數值模擬計算

3.1 理論計算模型的建立

運用橋梁博士V3.2建立橋梁上部結構有限元模型，模型單元選用梁單元，按照各部件實際約束情況、橋梁上部結構荷載受力情況，設置各構件約束條件、橋梁上部結構荷載。在滿足橋梁上部結構尺寸參數、性能參數、荷載分布、約束條件的前提下，適當簡化實體模型，提高模型計算收斂效率。所建立橋梁上部結構有限元模型共計88個梁單元，89個節點，見圖1。

圖1 大橋計算模型（單位：cm）

3.2 計算參數

3.2.1 材料參數

（1）混凝土：C50混凝土，容重為26 kN/m3。

（2）預應力鋼束：預應力鋼絞線抗拉強度標準值1 860 MPa，彈性模量為E=1.95×105MPa，應力松弛系數為2.5%。

（3）波紋管：位置偏差系數K=0.001 5，摩阻力系數u=0.17。

（4）錨具下預應力張拉應力值1 339.2 MPa，單個預應力錨具回縮值6 mm。

3.2.2 作用效應

（1）結構自重：依據設計圖紙標定的各結構構件尺寸、材質橋梁上部結構自重，施工階段荷載以50 t標準計算。

（2）二期恒載：橋面系鋪裝、防排水系統、防撞系統、照明系統等，總計：51.60 kN/m。

（3）活荷載：橋面公路設計等級為Ⅰ級，車道為三車道，根據《橋規》規定，活載取2.85 kN/m2。

（4）橋墩基礎不均勻沉降值：1.0 cm。

（5）結構體系溫度變化：升溫20 ℃，降溫-28 ℃。

3.3 計算結果

3.3.1 短期效應組合截面總體正應力驗算

橋梁主梁按預應力混凝土A類構件計算，在橋梁常規服役狀態下，橋梁短期效應組合對應主梁截面上下緣應力。橋梁主梁下緣為受拉區，截面上緣為受拉區，最大拉應力為0.909 MPa≤0.7ftk=1.855 MPa，符合現行《橋規》控制值要求；常規服役狀態下，長期效應組合對應主梁截面上下緣均為負應力，也符合《橋規》要求。

3.3.2 計豎向預應力時短期效應組合截面主拉應力

在0.6倍的豎向預應力條件下，短期效應組合對應斜截面最大抗裂強度，可算得最大主拉應力值為1.231 MPa≤0.5ftk=1.325 MPa，符合現行《橋規》指標要求。

3.3.3 主梁截面混凝土最大主壓應力驗算

橋梁服役狀態下，預應力鋼筋混凝土主梁為受彎構件，其最大正截面混凝土法向壓應力為11.682 MPa，低于《橋規》中預應力鋼筋混凝土受彎構件控制值0.5fck=16.2 MPa，滿足規范要求；其斜截面最大主壓應力值為11.682 MPa，低于《橋規》指標控制值0.6fck=19.4 MPa，滿足規范要求[8-9]。

3.3.4 持久狀況承載能力極限狀態驗算結果

橋梁持久狀況承載力性能為預應力鋼筋混凝土受彎構件抗彎性能，根據現行《橋規》要求校驗構件抗彎性能，得到構件正截面抗彎承載力包絡圖見圖2。由圖2可知，構件正截面抗彎性能符合規范要求。

圖2 正截面抗彎最大、小抗力及對應內力圖（單位： kN*m）

3.3.5 短暫狀況構件應力驗算結果

根據橋梁主梁壓應力最大值包絡圖，施工階段主梁最大壓應力值出現在主梁跨中下部，最大值為11.531 MPa≤0.7fck’=22.68 MPa，滿足《橋規》要求。

3.3.6 撓度驗算

橋梁主梁在短期效應組合下，跨中最大撓度為6.9 cm，根據《橋規》給定計算公式，可算得該大橋主梁撓度最大值為（6.9×1.425-7.6）=2.2 cm，低于《橋規》指標控制值L/600=8 000/600=13.3 cm，符合《橋規》指標控制要求。

3.4 預拱度設置

分別計算預應力作用下主梁長期反拱值、主梁荷載短期效應組合應對預拱度度值，比對所得主梁反拱值、預拱度值大小，若主梁預拱度值大于反拱值，則預拱值取荷載撓度值與長期反拱值之差。

在模型仿真值基礎上，考慮主梁混凝土收縮徐變及預應力損失等因素，主梁長期預拱在理論值的基礎上額外增加30 mm，消除橋梁服役期撓度影響。

4 監控值與理論值對比

（1）案例橋梁主橋為鋼筋混凝土連續梁橋，為保證橋梁監控量測準確性，需提前分析橋梁應力變化特點，強化控制節點處施工監控。合攏段應力計設置截面見圖3，圖中數字為應力計編號，其中106～260號應力計監測所在截面橫橋向應力，其他編號應力計監控所在截面順橋向應力。

圖3 中跨合攏段應力計布置斷面

（2）合攏段箱梁應力監控結果見表1。

表1 應力監控測量結論數據 /MPa

（3）整理中跨合攏段有限元模型計算理論值、現場監控值，得到案例橋梁中跨應力理論值與監控值對比圖見圖4。

圖4 中跨應力理論值與監控值對比

由圖4可知，中跨合攏段各監測截面應力測試值與理論值變化曲線基本吻合，中跨段節點斷面檢測數據變化規律一致，表明所建立橋梁上部結構有限元模型可準確反映橋梁應力變化特征，可用于指導施工。

5 結論

綜上所述，普通連續梁橋、連續剛構橋主橋合攏段中跨合攏施工流程、受力特性等，對主橋成橋后的橋體線形、承載力性能、承載狀態等均具有重要影響。該文通過建立橋梁有限元模型，得到了橋梁在不同荷載效應組合下的應力變化規律，明確了橋梁施工質量控制關鍵點，并運用現場施工監測數據驗證了模型計算的可靠性，可為后續橋梁合攏段施工監測提供借鑒。