大跨度空腹式連續剛構橋三角區施工力學行為研究

中圖分類號：U448.23文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.047

文章編號：1673-4874（2025）01-0159-04

0 引言

連續剛構橋具有結構受力性能較好、能適應一定的平面線形變化、行車平順舒適、后期養護工作量較小的特點1。截至2020年，我國已建成的連續剛構橋主跨gt;200m的已達80余座，主跨lt;200m的更是不勝枚舉。目前，連續剛構橋在 m跨徑有明顯的競爭優勢，但是隨著跨徑的增大，傳統的連續剛構橋也暴露出很多問題。當其跨徑 gt; 200m時，工程經濟性急劇惡化，技術風險增大，易出現下撓、開裂等問題，結構安全性和耐久性劣化；上部結構重量大，導致橋墩、基礎受力大，抗震性能較差[2-5]。

空腹式連續剛構橋是一種在傳統連續剛構形式上的改型，其主要思路是將剛構橋根部箱梁的腹板挖空，通過合理確定根部高度、空腹區長度、上弦梁段高度和下弦梁段高度，形成空腹區[。主梁底板成為“斜腿”，減輕自重，加大根部區域的結構剛度，有利于解決跨中持續下撓的問題，提高跨越能力，在今后建設中成為一個越來越有競爭力的新橋型7-8]。與傳統的剛構橋相比，空腹三角區施工難度更大，存在上下弦施工空間干擾，且施工過程中上下弦結構無法獨立承受長懸臂的掛籃施工荷載的問題。根據該橋型的特點，提出了三角區上下弦均采用斜拉扣掛輔助懸臂澆筑，后續梁段采用掛籃懸臂澆筑的施工方法。在施工過程中，由于受到混凝土自重、預應力張拉及臨時扣索張拉及拆除等工序的影響，受力狀態發生較大的改變，因此有必要在不同施工階段開展三角區結構受力計算[10]。

1工程概況

云南莊特大橋位于湖北省恩施州鶴峰縣，為空腹式預應力混凝土連續剛構橋，跨徑布置為 （150+280+ 150）m，跨越九峰河峽谷，是宜來高速公路鶴峰東段主要的控制性工程之一。九峰河峽谷兩岸坡度可達 ，溝底河流與兩岸山地高差可達 。云南莊特大橋主橋左、右幅為分幅設置，左、右幅墩身無連接，橋面橫坡為 2% 。三角區上弦箱梁梁高為 ，下弦梁梁高為 。下弦箱梁根部與上弦箱梁頂中心距離為 34m 橋梁整體立面布置見圖1。

主橋三角區上、下弦箱梁采用斜拉扣索輔以掛籃懸臂施工， 節段為空腹式澆筑區， 節段為上、下弦合龍段，長度為 11×4m 節段為上、下弦箱梁匯合段，長度為 4×3.5m。

2主橋施工方案及有限元仿真

2.1主橋施工方案

目前，有3種大跨徑空腹式連續剛構橋三角區施工方法。

（1）下弦斜拉扣掛輔助掛籃澆筑，上弦利用下弦頂部鋼管支架被動支撐澆筑的方法，貴州已建成的水盤高速公路北盤江特大橋三角區施工采用此法[11-12]。

（2）下弦斜拉扣掛輔助掛籃施工，上弦支架主動支撐配合掛籃澆筑施工。

（3）上、下弦雙層主梁均采用斜拉扣掛輔助掛籃澆筑的施工方法，重慶禮嘉嘉陵江大橋三角區施工采用該法。

3種施工方法的本質均為解決三角區箱梁施工過程中抗彎剛度不足問題。上述3種方法中，前兩種施工方法均存在上、下弦箱梁施工不獨立、相互影響的問題，布設于上、下弦箱梁中的支撐鋼管易出現應力集中現象，后續隨鋼管拆除，三角區上、下弦箱梁受力狀態重新分布，不利于結構受力控制。三角區上、下弦箱梁均采用斜拉扣掛輔助掛籃澆筑施工，優點為施工中上、下弦受力獨立、明確；三角區施工中下弦箱梁僅需承擔自重及施工荷載，無須承擔通過鋼管傳遞的上弦箱梁及荷載，下弦扣索規格小，上、下弦施工互不影響；缺點為需設置額外的墩頂臨時扣塔系統，增加施工過程中的材料用料、施工操作流程變多、材料成本增加[13-16]

該橋三角區施工采用上述第三種方法，即上、下弦雙層均布置臨時扣索輔以掛籃懸臂澆筑施工的方法，如圖2所示。該橋三角區主要施工步驟為：下弦 塊支架預壓 → 完成 塊施工 → 下弦 支架安裝、預壓→完成下弦 、 施工 → 安裝斜腿掛籃 → 依次完成下弦 塊施工。下弦節段施工同時，繼續完成墩柱及上弦 塊 → 組拼完成上弦掛籃 → 完成上弦1塊 → 上弦臨時扣塔布設 → 完成上弦 塊施工。上、下弦的臨時扣索均在對應節段養生完成后張拉。上、下弦節段完成 塊后，拆除下弦掛籃的部分結構，與上弦掛籃組合，繼續完成上、下弦合龍段及后續梁段的施工。

2.2有限元計算模型

該橋結構分析計算采用MidasCivil軟件。全橋計算模型共計1137節點、1244個單元。主梁、主塔及臨時扣塔采用空間梁單元模擬，臨時扣索采用只受拉桁架單元模擬。由于臨時扣索索力大、截面小，施工中扣索處于高應力狀態，模擬計算不考慮臨時扣索的幾何非線性影響。全橋結構仿真計算模型如圖3所示。

3 臨時扣索受力分析

該橋三角區上弦箱梁梁高為 ，下弦箱梁梁高為 ，上、下弦箱梁梁高較低，抗彎剛度小，無法直接采用掛籃懸臂進行施工。上、下弦設置臨時扣掛系統，通過臨時扣索提供的豎向力及軸向力平衡箱梁自重等荷載產生的負彎矩。三角區上、下弦主梁施工過程中，存在混凝土澆筑、預應力張拉、掛籃移動及臨時扣索張拉等施工作業工序。施工過程中，混凝土自重、預應力張拉、臨時荷載及臨時扣索張拉都會對扣索受力狀態產生影響，臨時扣索索力變化也會改變主墩及臨時扣塔的受力狀態，因此應驗算三角區施工過程中扣索的受力。

分析該橋施工中扣掛系統的受力情況，以 墩右幅三角區為例。如圖4所示，工況 分別為下弦箱梁臨時扣索張拉階段；如圖5所示，工況 為上弦箱梁臨時扣索張拉階段。

從圖4、圖5可知：

（1）上弦箱梁及下弦斜腿隨節段施工，箱梁與臨時扣索形成的夾角越來越小，平衡節段荷載所需的索力越大。（2）臨時扣索的主要作用是平衡當前節段重量，隨后續荷載施加，索力變化不大，隨后續扣索張拉，已存在的臨時扣索索力減少。（3）上、下弦臨時扣索張拉索力最大扣索為下弦 扣索，最大值為2379.2kN，索力最大值出現在 節段混凝土澆筑后。整體而言，臨時扣索索力均較小，且隨施工進展，索力值整體逐步減小，處于安全、可控狀態。

4 三角區結構受力分析

上、下弦箱梁受自重、掛籃、預應力及臨時扣索張拉及拆除等工序影響，受力狀態發生較大的改變。研究三角區受力狀態變化是保證橋梁結構安全的重要措施之一。結合該大橋的施工方案，研究主梁及斜腿在施工過程中的受力情況，計算結果如圖6至圖9所示，圖中正值表示拉應力，負值表示壓應力。由圖6至圖9可知：

（1）三角區最大合龍狀態下，即三角區下弦 節段臨時扣索張拉后，斜腿底部拉應力出現最大值（1.7MPa） ；三角區上、下弦合龍后，即 梁段澆筑完成后壓應力達到6.6 MPa。

（2）三角區合龍后，斜腿開始參與承擔上弦主梁及后續梁段荷載工作，全橋達到最大雙懸臂狀態，通過斜腿傳遞至主墩的荷載總量達到最大，此時斜腿根部產生的壓應力高達16.1 MPa ，應重點關注此工況。

（3）邊跨合龍、中跨頂推、中跨合龍等工況對斜腿根部受力狀態影響較小。釋放中跨頂推力后，斜腿根部壓應力仍達到15.7 。拆除下弦臨時扣索，主橋受力重新分布，斜腿根部壓應力變為 10.4MPa ，下弦扣索拆除使斜腿根部壓應力降低5.3 。此時全橋箱梁中，下弦 節段（合龍段）壓應力最大，由拆索前的11.3 MPa 變化到13. 2MPa 。

（4）拆除上弦臨時扣索，會不同程度地改變主梁及斜 腿受力狀態。拆除上弦臨時扣索，斜腿根部壓應力由 11.7MPa 降低至 10.9MPa ，降低了 ；上弦主梁壓 應力由13.8MPa降低至11.5 ，降低了2.3 MPa。

（5）拆除下弦臨時扣索，上弦主梁受力狀態變化不大。峰值壓應力由拆索前的13.8MPa降低至13.1 MPa 斜腿根部壓應力由15.7MPa降低至 ，降低了5.3MPa 。橋面鋪裝完成后，全橋主梁壓應力較均勻，峰值壓應力為

（6）全橋施工至最大懸臂狀態，斜腿根部壓應力達到16.1 MPa ，應重點關注；拆除上、下弦臨時扣索使全橋主梁受力狀態重新分布。拆除上弦臨時扣索，會對主墩頂 梁塊受力產生較大影響，壓應力降低2.3MPa；拆除下弦臨時扣索，對斜腿根部受力影響較大，壓應力降低5.2MPa ；二期鋪裝完成后，全橋主梁受力狀態重新分布，上、下弦主梁受力均較均勻，最大壓應力儲備為13.7

5結語

云南莊特大橋主橋空腹式三角區上、下弦均采用斜拉扣掛輔以掛籃澆筑的方法，實腹區主梁采用掛籃澆筑施工。大橋跨徑大、施工方法特殊、三角區結構受力復雜，存在多次受力重新分布的現象。通過對該橋施工進行仿真計算，可得到以下結論：

（1）三角區上、下弦主梁施工中，最大拉應力為1.7MPa ，最小壓應力為16.3 MPa ，均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362一2018）第7.2.8條要求。

（2）空腹式三角區斜腿根部應力隨施工進展不斷增大，達到全橋最大懸臂狀態，通過斜腿傳遞至下弦根部的荷載總量最大，根部壓應力為 16.1MPa ，斜腿根部處于高應力水平，結構體系合龍對三角區根部受力影響較小。

（3）上弦臨時扣索對上弦 塊受力影響較大，對斜腿受力影響較小。拆除上弦臨時扣索，使上弦 塊的壓應力峰值降低 2.3MPa ，斜腿根部壓應力峰值降低 。

（4）下弦臨時扣索對斜腿根部受力影響較大，對上弦主梁受力影響較小。拆除下弦臨時扣索，下弦斜腿根部壓應力峰值降低 5.3MPa ，上弦""塊壓應力峰值降低0.7MPa， 。

（5）三角區上、下弦均采用斜拉扣掛輔以掛籃懸臂澆筑的施工方法，上、下弦施工互不影響，上、下弦扣索僅對各自施力弦箱梁受力狀態影響大，三角區上、下弦結構受力獨立、明確。

（6）施工中，上、下弦臨時扣索整體受力，隨節段施工及后續臨時扣索的張拉而逐步減小，對斜拉扣掛體系的控制較為有利。

參考文獻

[1]Wang H， Xie C， Liu D，et al.Continuous reinforced concrete rigid-frame bridges in China[J].Practice Periodical on Structural DesignandConstruction，2019，24（2）：05019002.

[2]彭元誠.大跨度空腹式連續剛構橋設計理論與方法[J].橋梁建設，2020，50（1）：74-79

[3]彭元誠，周水興，徐略勤.空腹式PC連續剛構橋結構設計參數經濟性比較[J].中外公路，2017，37（6）：151-155

[4]馬振棟，劉安雙.控制大跨連續剛構橋梁過度下撓的技術措施[J].橋梁建設，2015，45（2）：71-76

[5]閆小翠，王正民，彭志苗.龍峽谷大橋空腹式連續剛構施工過程仿真分析[J].公路交通科技（應用技術版），2012，8（4）：261-264.

[6]應松，彭旭民，黃盛.高墩大跨度空腹式剛構橋空腹區施工方法研究[J].橋梁建設，2012，42（3）：101-106.

[7]由瑞凱，陳超華，楊金龍，等.峽谷大跨度空腹式剛構橋三角區施工技術[J].中外公路，2014，34（3）：144-147.

[8]韓洪舉，黃坤全.290m空腹式剛構橋三角區施工技術[J」橋梁建設，2011（3）：81-84.

[9]由瑞凱，楊金龍，于洋，等.峽谷大跨度空腹式剛構橋三角區交匯段施工關鍵技術[J].施工技術，2014，43（S1）：300-303

[10]黃坤全，彭旭民.空腹式連續剛構橋施工過程受力特性分析[J]橋梁建設，2011（3）：40-43.

[11]陶路.290m空腹式連續剛構橋梁合龍技術[J].交通科技，2015（2）：48-51.

12]韓洪舉.290m空腹式剛構橋三角區箱梁施工支架受力分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2011，30（3）：361-365

[13]孫克強，李松，李百富，等.甘溪特大橋300m跨空腹式剛構橋三角區施工技術[J].世界橋梁 2020，48（2）：45-50.

[14]楊金龍，孫琦.峽谷大跨度空腹式剛構橋關鍵施工工序分析與實踐[J].施工技術，2014，43（S2）：220-222

[15]劉新華，李秋，彭元誠，等.湖北云南莊特大橋設計關鍵技術[J]中外公路，2021，41（1）：112-116

[16]莫以操，邱攀，黃輝.云南莊特大橋三角區施工方案[J].世界橋梁，2022，50（1）：52-58.