懸臂澆筑橋梁計算分析

楊新剛

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司天津分公司,天津市 300042)

懸臂澆筑橋梁計算分析

楊新剛

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司天津分公司,天津市 300042)

懸臂澆筑法充分利用了預(yù)應(yīng)力混凝土承受負彎矩能力強的特點，將跨中正彎矩轉(zhuǎn)移為支點負彎矩,提高了橋梁的跨越能力,在工程當(dāng)中應(yīng)用較多。結(jié)合工程實例對懸臂澆筑橋梁進行分析計算,有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

懸臂澆筑;全預(yù)應(yīng)力;變截面

0 引言

懸臂澆筑法是在已建成的橋墩上,沿橋梁跨徑方向?qū)ΨQ逐段施工的方法。它不僅在施工期間不影響橋下通航或行車,同時密切配合設(shè)計和施工的要求,充分利用了預(yù)應(yīng)力混凝土承受負彎矩能力強的特點，將跨中正彎矩轉(zhuǎn)移為支點負彎矩,提高了橋梁的跨越能力。本文結(jié)合工程實例分析懸臂澆筑橋梁計算問題。

懸臂澆筑特點:

(1)從橋墩處開始向兩側(cè)對稱分節(jié)段懸臂施工,橋梁在施工過程中承受負彎矩,橋墩也要承擔(dān)不平衡彎矩。

(2)非墩梁固結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,采用懸臂施工時應(yīng)采取措施,使墩、梁臨時固結(jié),因而在施工過程中應(yīng)進行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。對于帶掛梁的T形剛構(gòu)橋,主梁在施工中的受力狀態(tài)與在運營荷載作用下的受力狀態(tài)基本一致,結(jié)構(gòu)的體系沒有改變。

(3)可供懸臂施工法采用的機具設(shè)備較多,就掛籃而言,就有桁架式、斜拉式等多種形式,可根據(jù)實際情況合理選用。

(4)懸臂澆筑法施工簡便,結(jié)構(gòu)整體性好,施工中可不斷調(diào)整標(biāo)高,常用于跨徑大于100m的橋梁。

(5)懸臂施工法可不用或少用支架,施工不影響通航或橋下交通,適合于跨越深水、山谷、海洋等處,并適用于變截面預(yù)應(yīng)力混凝土橋。

1 工程概況

本工程橋梁跨徑布置為45 m+70 m+45 m,為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，采用全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計方法。全橋共劃分為39個節(jié)段,其中懸臂澆筑段34節(jié),中跨合龍段1節(jié),邊跨合龍段2節(jié),邊跨現(xiàn)澆段2節(jié)。

結(jié)構(gòu)斷面采用大挑臂斷面,為單箱三室。0#墩頂梁高4.2 m,跨中梁高2.0 m,邊跨墩頂梁高2.0 m。

計算模型見圖1。

圖1 計算模型

2 計算參數(shù)

(1)計算行車速度:80 km/h;

(2)橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期:100 a;

(3)橋梁設(shè)計使用年限:100 a;

(4)車行荷載等級:公—Ⅰ級;

(5)橋面寬度:0.5 m(防撞護欄)+24 m(機動車道)+0.5 m(防撞護欄)=25 m;

(6)安全等級一級,重要性系數(shù)γo=1.1;

(7)耐久性設(shè)計:根據(jù)地勘報告,環(huán)境類別為Ⅱ類;

(8)抗震要求:抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,地震動峰值加速度0.1 g;抗震設(shè)防類別:B類;抗震設(shè)防措施等級:8級;抗震重要性系數(shù):橋梁E1作用下取0.5,E2作用下取1.7。

3 結(jié)果分析

結(jié)果分析見圖2～圖6。

圖2 承載能力極限組合下彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

圖3 承載能力極限組合下剪力包絡(luò)圖(單位:kN)

圖4 長期組合下上下緣最大最小正應(yīng)力圖(單位:MPa)

圖5 短期組合下上下緣最大最小正應(yīng)力圖(單位:MPa)

圖6 使用階段短期組合下主拉應(yīng)力圖(單位:MPa)

全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正截面抗裂驗算要求:分段澆注構(gòu)件:荷載短期效應(yīng)組合下σst-0.8σpc≤0。

斜截面抗裂要求:短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力σtp≤0.4ftk=0.4×2.65=1.06 MPa。

經(jīng)計算,模型結(jié)構(gòu)抗裂驗算滿足規(guī)范規(guī)定。

圖7 活載撓度(單位:m)

撓度計算采用荷載短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響,即按照荷載短期效應(yīng)組合和規(guī)范規(guī)定的剛度計算的撓度值,乘以撓度長期增長系數(shù)(C50混凝土為1.425)?；钶d撓度17× 1.425=24.225 mm,小于L/600=117 mm,見圖7。

經(jīng)計算,結(jié)構(gòu)抗裂驗算滿足規(guī)范規(guī)定。

4 施工措施

45 m+70 m+45 m懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在施工過程中必須保證墩與梁固結(jié),需要采取臨時墩梁固結(jié)措施。

4.1 施工設(shè)備要求

(1)墩旁托架

設(shè)置在中墩墩身旁的由鋼管和萬能桿件組成的臨時托架(或其它可行的支架),作為澆筑0#節(jié)段的支架。為防止箱梁在澆筑過程中由于托架變形而引起混凝土開裂,支架需采取預(yù)壓、變形調(diào)節(jié)等措施,托架支撐點在縱橋向間距應(yīng)盡可能地大。臨時固結(jié)采用墩身外支架與預(yù)應(yīng)力結(jié)合的固結(jié)體系,臨時固結(jié)體系應(yīng)安全可靠。

(2)掛籃

每只掛籃混凝土節(jié)段的澆筑長度為3.0 m、4.0 m,掛籃總重量(含掛籃自重、模板重量及其他輔助設(shè)備重量)設(shè)計控制值為850 kN,掛籃必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。

掛籃前、后支承中心點應(yīng)與箱梁腹板對中,并直接傳力至腹板(不得通過翼板傳力)。

懸臂對稱施工過程中,兩側(cè)掛籃前移的不平衡荷載不得超過一半節(jié)段重量;在拆除或后移掛籃時,也應(yīng)嚴(yán)格掌握對稱,平衡的原則。

(3)邊跨現(xiàn)澆段臨時支架

邊跨現(xiàn)澆段需設(shè)置臨時支架澆筑。支架必須有足夠大剛度,且必須采取預(yù)壓措施以消除支架節(jié)點變形,邊墩現(xiàn)澆段及其支承支架應(yīng)適應(yīng)由于溫差而產(chǎn)生的主梁滑移的要求，以防止現(xiàn)澆混凝土開裂，支架在近合龍段處應(yīng)備有千斤頂以備調(diào)節(jié)標(biāo)高之用。

(4)合龍用吊平臺

中跨、邊跨合龍段用吊平臺,要求輕便、牢靠、安全,滿足合龍段施工技術(shù)要求和工藝與構(gòu)造要求。

4.2 施工順序

(1)施工合龍順序

45 m+70 m+45 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用懸臂澆筑法施工,先在托架上澆筑0#段,再利用掛籃依次懸臂澆筑1#至8#節(jié)段,支架現(xiàn)澆邊跨合龍段,然后進行邊跨合龍,解除臨時固結(jié),最后完成中跨合龍,見圖8。

圖8 施工概略流程圖

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序

預(yù)應(yīng)力張拉次序仍按照橫向與縱向預(yù)應(yīng)力鋼束結(jié)合交錯進行張拉,預(yù)應(yīng)力張拉按先長束后短束、左右平衡對稱張拉的原則進行。

4.3 施工要點

4.3.1 0#段施工

由于墩頂0#段結(jié)構(gòu)重要,受力復(fù)雜,又有墩頂橫梁,且縱向、橫向預(yù)應(yīng)力管道較為密集,為確保墩頂段施工的質(zhì)量,預(yù)應(yīng)力管道及鋼筋密集處混凝土必須振搗密實。0#段澆筑時要嚴(yán)格控制澆筑的左右對稱性。

4.3.2 臨時固結(jié)

(1)臨時固結(jié)是懸臂施工的重要環(huán)節(jié),臨時固結(jié)位置的橫隔板構(gòu)造鋼筋圖也可以根據(jù)臨時固結(jié)的方案相應(yīng)地細化和調(diào)整

(2)臨時支點墩在主墩施工完、連續(xù)梁施工前進行施工,其鋼筋應(yīng)在承臺施工時予以預(yù)埋。

(3)臨時固結(jié)采用墩身外支架與預(yù)應(yīng)力結(jié)合的固結(jié)體系,支架除滿足受力的需要強度、剛度外,還要保證在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定。

(4)計算臨時固結(jié)時需要考慮±2.5%的已澆筑梁段的脹(縮)模系數(shù),半個節(jié)段的不平衡荷載,掛籃前移差一個節(jié)段的不平衡荷載,10 a一遇的風(fēng)速及合龍過程中產(chǎn)生的不平衡力等各種工況及其組合。

(5)臨時固結(jié)預(yù)應(yīng)力及支架的拆除時間應(yīng)根據(jù)施工順序及合龍要求協(xié)調(diào)進行。

4.3.3 懸臂澆筑段施工

在墩頂段混凝土澆筑后張拉0#節(jié)段橫梁預(yù)應(yīng)力束、縱向預(yù)應(yīng)力束,并進行墩梁臨時固結(jié),然后在0#段上對稱于橋墩拼裝掛籃,利用掛籃逐段懸臂澆筑各節(jié)段混凝土。各節(jié)段澆筑時,箱梁的標(biāo)高采用施工控制標(biāo)高值。

4.3.4 中跨合龍段施工

(1)中孔合龍段可采用吊支架澆筑,在中跨懸澆的最后節(jié)段縱向懸臂鋼束張拉完畢后,掛籃后移2 m左右,即可安裝吊支架。

(2)合龍段混凝土應(yīng)采用早強微膨脹混凝土,通過試驗摻入適量的微膨脹劑。

4.3.5 邊跨現(xiàn)澆段、合龍段施工

(1)邊墩現(xiàn)澆段及其支承支架應(yīng)適應(yīng)由于溫差而產(chǎn)生的主梁滑移的要求。

(2)邊跨連續(xù)鋼束分兩批張拉,合龍段混凝土齡期大于3 d、強度達到85%時及時張拉部分預(yù)應(yīng)力鋼束，其余鋼束在合龍段混凝土齡期大于7 d,強度達到90%后張拉。

(3)在懸臂梁端和邊跨現(xiàn)澆段之間進行邊跨合龍時要求將原掛籃控制總重由850 kN減為250 kN,合龍技術(shù)要求同中跨合龍段。

4.4 施工控制

(1)施工控制的目的

連續(xù)梁施工為對稱逐段懸臂澆筑施工,先依次澆筑1#至8#節(jié)段,然后邊跨合龍,解除臨時固結(jié),最后中跨合龍,形成連續(xù)體系,完成結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變。

(2)施工控制原則

在主橋邊跨、中跨合龍前(含合龍)施工控制實行以標(biāo)高(線型)和應(yīng)力雙控,以標(biāo)高(線型)為主的控制方法。

4.5 施工量測

(1)施工控制和量測的項目及內(nèi)容

主梁變形及應(yīng)力量測:主梁變形測點布置原則在每一節(jié)段、每跨跨中等各處。

主梁截面應(yīng)力及測點布置位置:0#節(jié)段、4#節(jié)段,每跨跨中節(jié)段。要包括混凝土箱梁的上緣、下緣和大氣環(huán)境溫度測定等。

測點布置(測順橋向應(yīng)力):箱梁上、下緣,橫向間距1.0 m左右。

(2)控制設(shè)計指令與施工實測值誤差要求

施工控制以標(biāo)高為主。設(shè)計指令要求標(biāo)高和變形誤差為±5 mm。

施工控制是保證連續(xù)梁順利施工、結(jié)構(gòu)安全、線形符合要求的重要專題。應(yīng)根據(jù)設(shè)計提出的原則要求,作進一步的細化和補充,提出具體實施細則,指導(dǎo)連續(xù)梁施工。

5 結(jié)論

(1)本文通過對工程實例懸臂澆筑方法的計算分析,得出了可用于實際施工的懸臂澆筑方案,對工程有一定的指導(dǎo)意義。

(2)懸臂澆筑橋梁作為一種多節(jié)段分段澆筑結(jié)構(gòu),采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件方法設(shè)計是恰當(dāng)?shù)?對于工程的安全有利。

(3)懸臂澆筑橋梁在施工中需要加強對標(biāo)高(線型)和應(yīng)力的控制。

U442

B

1009-7716(2015)03-0049-03

2014-11-05

楊新剛(1984-),男,河北石家莊人,工程師,從事橋梁設(shè)計工作。