非對稱、變寬度連續(xù)剛構(gòu)施工合龍順序優(yōu)化方案分析

婁志會,錢思沁,王 偉,董 磊

(1.北京城建中南土木工程集團(tuán)有限公司,北京 100020;2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210031)

連續(xù)剛構(gòu)能夠滿足特大跨徑橋梁的受力及跨越能力的要求,具有行車平順、施工方便、抗震能力強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。近20年的時(shí)間里,連續(xù)剛構(gòu)成為很有競爭力的橋型,然而在施工和運(yùn)營的時(shí)候,連續(xù)剛構(gòu)橋常出現(xiàn)跨中下?lián)线^大、腹板出現(xiàn)斜裂縫、箱梁底板頂板出現(xiàn)縱向裂縫等病害[1]。

多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工一般為分段施工,需要經(jīng)歷幾次結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換,是一個(gè)比較長期的過程。在多跨連續(xù)剛構(gòu)施工過程中,合龍順序的確定是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),合龍順序的不同會影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。一方面,先合龍的地方,將首先完成橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換;另一方面,由于施工時(shí)間存在著差異,導(dǎo)致各梁段的材齡也存在差異,從而影響混凝土的收縮徐變,這些都會使連續(xù)剛構(gòu)在成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和累積位移不同[2-5]。合龍順序的不同還會直接影響到施工的困難程度,對于誤差的累積也會產(chǎn)生比較明顯的影響,并且這種誤差直接關(guān)系著各墩的施工時(shí)間安排,對工期以及造價(jià)都會產(chǎn)生很大的影響。

結(jié)構(gòu)最終成橋狀態(tài)是否與合龍順序有關(guān),主要通過數(shù)值模擬分析不同的合龍順序?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)主梁內(nèi)力及位移產(chǎn)生的影響,以及對墩頂位移、墩底截面最大應(yīng)力的影響。提出最佳合龍順序方案以保證結(jié)構(gòu)安全、成橋線形平順。

1 工程概況

南京至句容城際軌道交通工程K7+489.09～侯家塘站區(qū)間連續(xù)剛構(gòu)是一座45 m+3×80 m+45 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,采用掛籃懸臂分段澆筑的施工方法,先邊跨合龍后中跨合龍施工。主梁采用單箱雙室直腹板箱梁截面,梁頂寬9.95～12 m,梁底寬6.45～8.5 m,箱梁梁底按二次拋物線進(jìn)行變化,支點(diǎn)間距4.5～6.5 m。箱梁翼緣懸臂長1.75 m。中支點(diǎn)截面梁高5 m,跨中和邊支點(diǎn)截面梁高2.5 m。

該橋箱梁的頂板厚度均為30 cm。懸臂澆筑段底板的厚度在跨中截面為30 cm,支點(diǎn)截面處為75 cm,按二次拋物線形式變化。邊跨直線段在2.03 m的范圍內(nèi)箱梁底板的厚度由30 cm變成40 cm。邊跨、中跨合龍段箱梁底板的厚度均為30 cm。

本橋采用雙薄壁實(shí)體墩,薄壁墩間距2 m,墩高分別為21、27、24、17 m。主墩、主梁均采用C50混凝土。

2 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析的專用軟件midas Civil建模,如圖1所示。對全橋進(jìn)行各施工階段、成橋狀態(tài)下恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、溫度變化、基礎(chǔ)變位等荷載作用下的分析計(jì)算。全橋共劃分了194個(gè)節(jié)點(diǎn)、185個(gè)單元,其中橋面為108個(gè)節(jié)點(diǎn),劃分了107個(gè)單元,橋墩劃分了86個(gè)節(jié)點(diǎn)、78個(gè)單元。其中1～107為主梁單元,108～185為主墩單元。

圖1 各方案成橋階段主梁上緣應(yīng)力

3 合龍方案對比分析

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋在懸臂施工過程中重要的是確定合龍方案,尤其是對于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋來說。不同的合龍方案不僅會影響到合龍過程中提供的預(yù)拱度以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,而且對施工的安全、成本、時(shí)間等都有一定的影響。因此在選取合龍方案時(shí),應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、交通、水文、邊(中)跨的比例、結(jié)構(gòu)受力以及穩(wěn)定性等條件決定[6]。

根據(jù)寧句剛構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙,現(xiàn)擬采用以下七種合攏順序進(jìn)行分析比較。設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 合龍方案

3.1 主梁應(yīng)力比較

合龍順序會對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生影響,在合龍施工階段,計(jì)算研究不同合龍順序下主梁上緣應(yīng)力,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,在合龍階段時(shí),結(jié)構(gòu)在不同合龍順序下的主梁上緣應(yīng)力變化較小,各種方案下的上緣應(yīng)力相差較小,且其變化趨勢基本相同。

在成橋階段不同合龍順序下主梁上緣應(yīng)力差值較小。在各合龍方案比較中,設(shè)計(jì)方案的主梁上緣的最大應(yīng)力值最大,為-11.7 MPa;方案二的最大應(yīng)力值最小。為-10.5 MPa。上緣最大應(yīng)力設(shè)計(jì)方案比方案二大14.3%,相差1.2MPa。

在成橋階段時(shí),將幾種合龍順序下主梁底板的應(yīng)力值進(jìn)行比較,其結(jié)果如圖2所示。

圖2 各方案成橋階段主梁下緣應(yīng)力

由圖2可知,在成橋階段不同合龍順序下的主梁底板應(yīng)力變化趨勢相同,且應(yīng)力值差別不大。在各合龍方案中,主梁下緣方案一的最大壓應(yīng)力值最小,為-9.01 MPa;方案三的最大壓應(yīng)力值最大,為-9.87 MPa。下緣最大應(yīng)力方案三比方案一大9.54%,相差0.86 MPa。

綜上所述,在成橋階段五跨連續(xù)剛構(gòu)橋在不同合龍順序下的主梁上下緣應(yīng)力變化趨勢相同,且應(yīng)力值差別較小。因此,合龍順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)的主梁上下緣應(yīng)力的影響較小,可見主梁的應(yīng)力值主要取決于橋梁自身的結(jié)構(gòu)特性,合龍方案的不同對主梁應(yīng)力值影響較小。

3.2 主梁豎向位移比較

在成橋階段時(shí),將不同合龍順序下主梁累計(jì)豎向位移對比分析,結(jié)果如圖3所示。

圖3 各方案成橋階段主梁豎向位移

根據(jù)上述各方案累計(jì)位移圖3可以看出,在各合龍方案中,方案一上拱值最大為45.86 mm,方案四上拱值最小為19.99 mm,最大撓度值與最小撓度值之差為25.87 mm。方案三下?lián)现底畲鬄?9.13 mm,方案六下?lián)献钚?4.15 mm,最大下?lián)现蹬c最小下?lián)现抵顬?4.98 mm。因此,各合龍方案對主梁成橋階段豎向位移的影響較大。

從主梁線形角度來看,設(shè)計(jì)方案、方案四、方案六成橋和成橋階段主梁上拱值較小,方案一、二、三、五主梁上拱值較大。而設(shè)計(jì)方案、方案四、方案六成橋和成橋階段主梁下?lián)现递^小,方案一、二、三、五主梁下?lián)现递^大。

可見,多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍順序?qū)χ髁贺Q向位移的影響較大。從線形角度考慮,設(shè)計(jì)方案、方案四、方案六的變形更加合理。

3.3 主墩墩底應(yīng)力比較

由于各個(gè)橋墩的墩高不同,CY58號墩墩高最小為17 m,CY56號墩墩高最大為27 m,又因在施工過程中結(jié)構(gòu)體系需要經(jīng)歷多次的轉(zhuǎn)變,不同施工過程中的結(jié)構(gòu)體系以不同的墩高來承受水平張拉力,導(dǎo)致橋梁墩底的應(yīng)力不同[7]。

對七種不同施工合龍順序下寧句剛構(gòu)主墩的受力性能進(jìn)行比較分析,將不同施工順序下成橋階段主墩墩底截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 墩底截面的最大應(yīng)力值

由表2可知,合龍順序?qū)χ鞫帐芰τ绊戄^大,設(shè)計(jì)合龍方案、方案四CY55～CY58號墩墩底應(yīng)力較小,各墩應(yīng)力值相近,變化范圍較小。因此,設(shè)計(jì)合龍方案、方案四較其他方案更為合理。

3.4 主墩墩頂水平位移比較

由于橋梁的墩高存在著差異,使得墩頂?shù)乃轿灰埔灿兴煌?在不同的合龍方案下CY55～CY58號墩的墩頂水平位移如表3所示。

表3 墩頂水平位移值

表3數(shù)據(jù)顯示,七種合龍順序下CY57號墩都將產(chǎn)生較大的水平位移,并且不同合龍順序?qū)Χ枕斔轿灰朴绊戄^大。設(shè)計(jì)合龍方案、方案四的墩頂水平位移較其他方案更小,且CY55～CY58各墩頂水平位移相近,沒有較大的變化,各墩的水平變形相對平均一些。因此,就墩頂水平位移來看,設(shè)計(jì)合龍方案、方案四更加合理。

3.5 合龍方案對比

通過分析可知,設(shè)計(jì)合龍方案、方案四相較于其他合龍方案更為合理。

(1)從主梁成橋階段控制截面應(yīng)力來看,這兩種方案各控制截面的應(yīng)力相差甚微;從成橋階段主梁位移來看,設(shè)計(jì)方案主梁上拱值為24.06 mm,最大下?lián)现禐?3.15 mm,而方案四最大上拱值為19.99 mm,最大下?lián)现禐?3.77 mm,這兩種方案在最大豎向位移值上相差不大,但就線形來看,設(shè)計(jì)方案線形更加平順。從主梁截面應(yīng)力、豎向位移值來分析,設(shè)計(jì)方案較方案四更優(yōu)。

(2)從主墩墩底應(yīng)力、墩頂位移考慮,這兩種方案在各墩差值較小,且各墩應(yīng)力、位移值相近。

(3)從施工上考慮,設(shè)計(jì)方案降低了施工難度,在經(jīng)濟(jì)成本上更優(yōu),保證施工安全性;方案四邊跨中跨同時(shí)合龍可以使工期大大地縮短。但該方案所需要的合龍?jiān)O(shè)備較多,成本較高,且要求在施工操作過程中盡可能一致,對施工組織和技術(shù)管理要求很高[8]。

這兩種方案各有所長,綜合分析表明:設(shè)計(jì)方案(邊跨—中跨—次邊跨)的合龍施工順序更優(yōu)。

4 結(jié) 論

以寧句線多跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ桃劳?分析了合龍方案對主梁和橋墩的應(yīng)力與位移的影響。根據(jù)寧句五跨連續(xù)剛構(gòu)橋工程,提出了七種合龍方案,并開展了相應(yīng)的應(yīng)力與變形分析,得到如下結(jié)論:

(1)主梁應(yīng)力值一般不隨合龍順序改變而改變,但合龍順序?qū)χ髁撼蓸螂A段的豎向位移有顯著影響。且合龍順序?qū)χ鞫斩盏讘?yīng)力值、主墩墩頂位移值有較大的影響。因此在對多跨連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)時(shí)需要對合龍順序進(jìn)行優(yōu)化。

(2)寧句剛構(gòu)設(shè)計(jì)方案(邊跨—中跨—次邊跨)的合龍方案,滿足實(shí)際的合龍條件,且合龍后主梁的線型、應(yīng)力及主墩應(yīng)力、位移更為合理。