連續(xù)梁橋合龍順序仿真研究

高 勇 高 原

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

1 概述

橋梁合龍段施工是決定橋梁建設(shè)成敗的關(guān)鍵部分，合理的合龍順序?qū)φ{(diào)整橋梁的內(nèi)力和線形發(fā)揮著十分重要的作用，不同的合龍順序橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不同，從而影響結(jié)構(gòu)的長期撓度[1]。對于連續(xù)剛構(gòu)橋，由于施工周期長，施工繁雜，如果不認(rèn)真計算分析，就會造成不能順利合龍。因此，選擇正確的合龍順序至關(guān)重要。幾乎可以通過合龍順序的選擇來實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的選擇。

孫全勝、姚志立等[2-4]以實際連續(xù)梁橋工程為例，計算了不同合龍方案對主梁豎向位移和應(yīng)力的影響，指導(dǎo)橋梁合龍施工；劉沐宇等[5]以新疆伊利特大橋為實例，探討了連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋主梁合龍順序的一般規(guī)律，王學(xué)華、張繼堯和彭道富等人[6-8]，分析了不同合龍順序下剛性支撐的受力差別；陳淮、劉華為等[9,10]探討了主梁合龍順序、邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架拆除時機(jī)和主梁中跨合龍段頂推力的優(yōu)化調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文以某連續(xù)梁橋為實例，采取了三種不同的合龍方式進(jìn)行仿真研究，分析對比了不同合龍順序?qū)χ髁簝?nèi)力、變形的影響，以確定最佳合龍順序，為連續(xù)梁橋提供施工和監(jiān)控的參考價值。

2 模型的建立

使用Midas有限元進(jìn)行模擬計算，根據(jù)該跨線橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計所選取的三種合龍工況如表1所示。

表1 合龍順序工況

在建立有限元模型過程中，重點關(guān)注梁體隨合龍順序的改變而產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)分析，因此可以將橋墩的模擬簡化為邊界條件作用于橋墩處。根據(jù)實際工程的情況和分析的需要，全橋共劃分為81個節(jié)點，80個單元，模型主要根據(jù)施工階段進(jìn)行分析，三種工況條件下最終成橋模型均如圖1所示。

3 不同合龍順序?qū)蛄簝?nèi)力的影響

3.1 工況一：先邊跨后中跨合龍

由于需要建立不同模型不同階段之間的分析對比，因此將數(shù)據(jù)提出后進(jìn)行對比分析工況一時橋梁各施工階段的彎矩圖如圖2所示。

由圖2可知：1)各施工階段最大正彎矩均出現(xiàn)在兩橋墩附近，最大值為全部合龍完成后219 706 kN·m，這與連續(xù)梁為了克服均布恒荷載作用下支點處的最大負(fù)彎矩而設(shè)計的預(yù)應(yīng)力筋束形式、數(shù)量以及支點處的較大厚度有關(guān)；最大負(fù)彎矩均為邊跨合龍階段在邊跨合龍段附近，最大值為-43 476.7 kN·m；2)中跨跨中合龍段附近彎矩隨著施工階段的進(jìn)行呈現(xiàn)逐步減小趨勢，邊跨合龍段的負(fù)彎矩也呈現(xiàn)減小趨勢，這對梁體各施工階段完成時支架逐步拆除后梁體受力的控制有利；3)成橋后最大正負(fù)彎矩均比施工階段中小，且其彎矩圖正好與后階段的橋面鋪裝等彎矩圖相反，因此從彎矩圖的形式看，該合龍順序合理。

3.2 工況二：先中跨后邊跨合龍

在工況二先中跨后邊跨合龍的順序下，各施工階段彎矩變化見圖3。

由圖3可知：1)該工況下，最不利的施工階段為全部合龍完成時，最大正負(fù)彎矩均在該階段，最大正彎矩也在中墩附近為230 185 kN·m，最大負(fù)彎矩在中跨合龍段為-40 924.3 kN·m；2)二期恒載與合龍完成時彎矩幾乎無變化，說明在工況一、二時合龍完成后，在無外荷載作用時橋梁內(nèi)力已經(jīng)穩(wěn)定，這對橋梁施工作用較好；3)成橋后的最大正負(fù)彎矩以及其趨勢均位于中跨合龍階段和合龍完成階段之間，說明在施工過程中，梁體內(nèi)力變化幅度較大，這不利于施工控制。

3.3 工況三：邊中跨一起合龍

在工況三同時合龍中邊跨合龍段時，各施工階段彎矩變化見圖4。

由圖4可知：1)該工況下，最不利的施工階段為全部合龍完成時，最大正彎矩在中墩處為236 705 kN·m，最大負(fù)彎矩在邊跨合龍段為-36 840.3 kN·m；2)與前2個工況不同，二期恒載與成橋后彎矩圖變化較為明顯，說明該合龍方式下，使得橋梁內(nèi)力相對不穩(wěn)定，不利于對將來橋梁受力情況的分析；3)在合龍完成以及二期恒載階段，中跨合龍段附近負(fù)彎矩較大，而成橋后為正彎矩，有明顯變化，不利于梁體受力。

3.4 各工況結(jié)果內(nèi)力對比分析

由于各工況下，合龍完成時的受力狀態(tài)對橋梁較為不利，而成橋狀態(tài)的受力直接影響到橋梁的正常運(yùn)營過程，因此對各工況最不利施工狀態(tài)彎矩和成橋狀態(tài)下彎矩、軸力對比分析如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知：1)在合龍完成狀態(tài)下，三種工況都呈現(xiàn)了僅合龍區(qū)段附近受拉的現(xiàn)象，先中后邊的合龍與一次合龍的彎矩圖變化不大，而先邊跨后中跨的最大正負(fù)彎矩均遠(yuǎn)小于這兩種合龍順序；2)在成橋狀態(tài)下，三種方式合龍時成橋彎矩趨勢近乎一致，且其趨勢正好與恒載作用產(chǎn)生的彎矩相反，這就解釋了為什么成橋狀態(tài)下彎矩均出現(xiàn)比合龍完成時彎矩小的結(jié)果。先邊后中的正彎矩比其他兩種方式稍大，而橋面鋪裝等恒載以及橋梁正常使用中的活載會在支點附近產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩(其絕對值往往大于正彎矩區(qū)域)，因此這有利于為后續(xù)階段提供安全儲備空間；3)三種合龍順序的軸力對比圖接近重合，說明合龍順序?qū)Τ蓸蜉S力無明顯影響，這是因為在連續(xù)梁中影響軸力的主要因素和預(yù)應(yīng)力筋的受力與布置以及超靜定產(chǎn)生的次生內(nèi)力有關(guān)，三種合龍順序并未改變這些因素。綜上所述，從橋梁內(nèi)力來看，無論是施工過程中還是成橋后合龍方式最佳合龍順序為先邊跨后中跨。

3.5 不同合龍順序?qū)χ髁壕€形的影響

豎向位移恰恰是影響線形行車平順的重要因素之一，尤其是高速鐵路對橋梁線形要求極高，所以其變化在PC連續(xù)梁橋給予嚴(yán)格的關(guān)注。全部合龍和成橋狀態(tài)下梁體豎向累計位移對比如圖8,圖9所示。

由圖8，圖9可知：1)先邊跨后中跨合龍時，在合龍狀態(tài)和成橋狀態(tài)最大豎向位移分別為21.57 mm和15.35 mm；先中跨后邊跨合龍時，在合龍狀態(tài)和成橋狀態(tài)最大豎向位移分別為31.20 mm和15.00 mm；邊中跨一起合龍時，在合龍狀態(tài)和成橋狀態(tài)最大豎向位移分別為29.29 mm和13.10 mm。工況一的合龍狀態(tài)下最大豎向位移相比工況二減小了9.63 mm，比工況三減小了7.72 mm。2)三種工況在兩種狀態(tài)下均呈現(xiàn)了中跨豎向位移相對邊跨較大的現(xiàn)象，最大豎向位移均在中跨跨中區(qū)域附近，對橋梁運(yùn)營更為有利。3)先邊跨后中跨合龍，從合龍狀態(tài)到成橋狀態(tài)豎向位移變化明顯小于其他兩種合龍方式，最大差值從16 mm左右減小至6 mm左右，無論從施工過程中豎向位移的變化值還是單個狀態(tài)下豎向位移的變化趨勢，其線形更為流暢，這樣在施工過程中更便于監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)的撓度變化，有利于達(dá)到盡量減小橋梁高程與設(shè)計值偏差的目的。

4 結(jié)語

三種不同順序合龍完成狀態(tài)下，先邊跨后中跨的最大正負(fù)彎矩均遠(yuǎn)小于其他兩種合龍順序，最大豎向位移相比其他兩種合龍順序都有所減小，最佳合龍順序為先邊跨后中跨。

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