懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工階段變形與應(yīng)力分析

高典，王躍飛，李俊，趙弘宇，張海歌

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 引言

隨著橋梁工程施工設(shè)備的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋因其適用性強(qiáng)、力學(xué)性能好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在大跨度橋梁建設(shè)中，極大地提高了施工效率和質(zhì)量。懸臂澆筑和懸臂拼裝是目前主要的懸臂施工方法。

目前，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工技術(shù)日漸成熟，懸臂施工相關(guān)的研究也逐漸增加。鐘志彬[1]、牛文[2]對掛籃現(xiàn)澆的臨時固結(jié)、懸臂現(xiàn)澆、合龍段三大關(guān)鍵階段的施工方法進(jìn)行了分析；竇文林[3]、劉東霞等[4]通過數(shù)值模擬方法，對橋梁施工過程進(jìn)行了分析研究；朱嘉等[5]對掛籃進(jìn)行了施工過程監(jiān)測和模擬分析；馬克誠[6]、劉喜輝等[7]對懸臂掛籃施工的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究，科學(xué)合理的監(jiān)控量測可以對施工管理和控制提供有效支持；朱江[8]對甘草店宛川河特大橋進(jìn)行了模擬和監(jiān)測研究，指導(dǎo)了橋梁的施工。

本文結(jié)合工程實例，以有限元方法為理論依據(jù)，通過Midas Civil軟件模擬橋梁懸臂澆筑施工各個階段，計算分析控制截面上各個測點在懸臂施工階段、合龍階段施工狀態(tài)下關(guān)鍵部位的內(nèi)力、位移和階段的變形及應(yīng)力變化規(guī)律。

2 工程概況

某新建公路為雙向4車道，設(shè)計速度100 km/h，其主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，橋跨布置為35 m+60 m+60 m+35 m，左右幅分離式設(shè)計。

主橋上部結(jié)構(gòu)為變截面混凝土箱梁，單箱單室，腹板垂直。箱梁頂板寬12.5 m，底板寬7.5 m，翼板寬2.5 m，支點處梁高3.7 m，跨中處梁高2 m。梁高按1.8次拋物線變化。

梁體為全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計，鋼絞線公稱直徑15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa。

3 施工方法與步驟

橋梁施工采用懸臂現(xiàn)澆，0#塊澆筑完成后與墩頂臨時固結(jié)形成T形剛構(gòu)，懸臂施工采用菱形掛籃，見表1。

表1 混凝土澆筑及縱向鋼束張拉順序

4 有限元模型建立

采用有限元軟件中的梁單元，建立懸臂現(xiàn)澆箱梁施工模型。梁單元采用具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲特征，其節(jié)點具有6個自由度，能夠較好地適應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)化、大變形效應(yīng)和允許變截面的特點。整座橋跨結(jié)構(gòu)共劃分為72個單元，根據(jù)澆筑施工順序進(jìn)行單元劃分，全橋分為3個T構(gòu)、2個邊跨現(xiàn)澆段、2個邊跨合龍段及2個中跨合龍段。

箱梁結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 箱梁結(jié)構(gòu)模型

主要施工階段模擬以及邊界條件如下。

1）0#梁段：采用托架現(xiàn)澆施工，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束并錨固，設(shè)置臨時固結(jié)，安裝掛籃。

2）1#~7#梁段：懸臂對稱澆筑施工，按照掛籃懸臂澆筑施工過程依次對稱澆筑張拉，并完成掛籃行走和就位。

3）邊跨現(xiàn)澆：邊跨滿堂支架搭設(shè)，澆筑邊跨直線段。

4）邊跨合龍：將邊跨掛籃向外移動，利用邊跨掛籃合龍，與支架現(xiàn)澆段連接形成吊架；合龍?zhí)巸啥思癟構(gòu)兩端設(shè)置配重，并連接勁性骨架；選擇一天中溫度最低時段進(jìn)行合龍澆筑；最后張拉邊跨合龍段鋼束，拆除邊跨支架以及相鄰中墩臨時固結(jié)，形成正式支座。

5）中跨合龍：將中跨掛籃向外移動，拆除一套掛籃，利用一套中跨掛籃合龍，形成吊架；在中墩T構(gòu)兩側(cè)增加配重，澆筑混凝土并張拉鋼束，拆除中墩臨時固結(jié)，形成正式支座。

6）拆除掛籃。

7）二期恒載：橋面現(xiàn)澆層及橋面系荷載。

8）收縮與徐變：計算10年收縮徐變，3 650 d。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 節(jié)點位移變化規(guī)律

懸臂梁在施工階段，以一個懸臂澆筑T構(gòu)為例，各部位發(fā)生位移變形規(guī)律隨施工工序變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 懸臂施工階段位移變化圖

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在梁段施工過程中，位移變化趨勢呈拱形，并隨著施工掛籃的前移，拱形逐步增大，在最后一個掛籃施工循環(huán)達(dá)到最大?；炷翝仓a(chǎn)生向下的節(jié)點位移，預(yù)應(yīng)力張拉會產(chǎn)生向上的節(jié)點位移，張拉應(yīng)力產(chǎn)生的位移大于混凝土自重產(chǎn)生的位移，隨著掛籃向外施工變形幅度逐漸增大。

邊跨合龍段施工，位移最大節(jié)點位于懸臂端部5#、25#節(jié)點，此時由于合龍段施工配重增加，會產(chǎn)生較小的位移波動。隨后邊跨合龍施工，5#節(jié)點張拉位移繼續(xù)增大，而25#節(jié)點保持穩(wěn)定。隨中跨合龍段施工，25#節(jié)點位移增大，5#節(jié)點保持穩(wěn)定。中跨節(jié)點最大位移21.8 mm，邊跨節(jié)點位移13.1 mm，中跨產(chǎn)生的最終變形遠(yuǎn)大于邊跨節(jié)點。

5.2 截面應(yīng)力變化規(guī)律

如圖3所示，根據(jù)梁體內(nèi)力變化規(guī)律，可以得出結(jié)論：主梁在懸臂施工階段均受壓，3#節(jié)段施工時最大壓應(yīng)力4.36 MPa，7#節(jié)段施工時最大壓應(yīng)力8.40 MPa。每個施工節(jié)段外側(cè)應(yīng)力要大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，且隨著后續(xù)節(jié)段施工，之前節(jié)段的應(yīng)力逐步增大，7#塊張拉完成時，1#~4#塊應(yīng)力最大。

圖3 中跨合龍后主梁應(yīng)力圖

中跨合龍張拉后，最大壓應(yīng)力8.88 MPa位于邊跨節(jié)段，中跨梁段應(yīng)力因中跨合龍張拉后顯著降低。

5.3 截面彎矩變化規(guī)律

在橋梁懸臂施工過程中，全橋處于正彎矩狀態(tài)，梁截面下緣受拉，上截面受壓，此時正彎矩可以抵抗由懸臂施工產(chǎn)生的負(fù)彎矩，如圖4所示。

圖4 中跨合龍后主梁彎矩圖

如圖4中跨合龍后，在自重和合龍段預(yù)應(yīng)力作用下，邊跨合龍段產(chǎn)生一定負(fù)彎矩，跨中合龍段正彎矩數(shù)值較小，但在T構(gòu)兩側(cè)1#~3#塊正彎矩有所增加。分析其產(chǎn)生原因是合龍段鋼束分為頂板束和底板束，其中邊跨頂板束4束及底板束4束、中跨合龍頂板束4束及底板束6束，由鋼束產(chǎn)生的負(fù)彎矩大于正彎矩，因此，4#~7#梁段內(nèi)正彎矩減?。欢ё浇捎谙虏夸撌a(chǎn)生的水平拉力，箱梁底板受拉，因而1#~3#正彎矩進(jìn)一步增大[8]。

6 結(jié)論

1）由預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的位移大于混凝土自重產(chǎn)生的位移，位移隨著掛籃向外施工幅度逐漸增大，中跨產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)大于邊跨節(jié)點的位移。

2）懸臂施工過程中全截面受壓，每個施工節(jié)段外側(cè)應(yīng)力要大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，且隨著后節(jié)段的施工，前節(jié)段的應(yīng)力逐步增大，合龍鋼束張拉后鋼束作用節(jié)段應(yīng)力顯著減小。

3）懸臂施工過程中全橋處于正彎矩狀態(tài)，梁截面下緣受拉，上緣受壓。

在掛籃懸臂現(xiàn)澆橋梁施工中，分析不同施工階段梁體所處的受力狀態(tài)對施工中橋梁預(yù)拱度設(shè)置、應(yīng)力監(jiān)測以及中跨合龍等有著重要意義。