不同跨徑鐵路連續(xù)梁橋懸臂施工線形對(duì)比分析研究

劉龍，張振偉，馬興鵬，于賽賽，呂昊文

(1.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司；3.重慶交通大學(xué))

隨著中國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路已成為連接中國(guó)各地區(qū)的重要交通工具，連續(xù)梁橋是鐵路工程中最常采用的橋型之一，而對(duì)于該橋型而言，懸臂澆筑法經(jīng)常成為最佳的施工方法。該方法相對(duì)滿堂支架而言有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于其施工的復(fù)雜性，施工過(guò)程中需進(jìn)行多次體系轉(zhuǎn)換，因而要使其成橋后線形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)和使用要求，就必須對(duì)施工過(guò)程中高程甚至內(nèi)力進(jìn)行控制，這也是施工監(jiān)控量測(cè)的主要工作。

為了讓連續(xù)梁橋懸臂施工控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息化，并提升設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)人員對(duì)線形控制的認(rèn)識(shí)，對(duì)不同跨徑的連續(xù)梁橋線形進(jìn)行對(duì)比研究具有重要意義。該文依托深圳至茂名鐵路工程中的(32+48+32)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m4種不同跨徑組合連續(xù)梁施工監(jiān)控項(xiàng)目，采用Midas有限元軟件對(duì)其分別進(jìn)行施工過(guò)程模擬，分別從活載撓度、收縮徐變撓度、施工預(yù)拱度、實(shí)測(cè)值與理論值高程對(duì)比4個(gè)方面探討其變化規(guī)律。

1 工程概況

① 深圳茂名鐵路漠陽(yáng)江特大橋上部結(jié)構(gòu)為(32+48+32)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(雙線)，橋面寬12.6 m，主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)處梁高3.4 m，端部及跨中梁高2.8 m；② 那龍河2#特大橋1#連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)為(40+64+40)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(雙線)，橋面寬12.6 m，主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)處梁高5.2 m，端部及跨中梁高2.8 m；③ 西部沿海特大橋連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)為(48+80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(雙線)，橋面寬12.2 m，主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)處梁高6.4 m，端部及跨中梁高3.8 m；④ 那龍河2#特大橋2#連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)為(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(雙線)，橋面寬12.6 m，主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)處梁高7.291 m，端部及跨中梁高4.591 m。

2 有限元模型建立

依據(jù)4座連續(xù)梁橋的施工圖建立有限元模型如圖1所示。模擬施工過(guò)程考慮的因素有結(jié)構(gòu)自重、材料收縮徐變、溫度變化、支撐體系、施工荷載等。

圖1 連續(xù)梁橋有限元模型

3 梁體變形對(duì)比分析

3.1 活載撓度結(jié)果

連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)車速200 km/h，豎向荷載采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載，如圖2所示。

圖2 ZK標(biāo)準(zhǔn)活載(長(zhǎng)度單位：m)

圖3為4座連續(xù)梁橋活載撓度圖。

圖3 連續(xù)梁橋活載撓度曲線

由圖3可知：各連續(xù)梁中跨的撓度彎曲度遠(yuǎn)比邊跨撓度大，且跨徑越大，相應(yīng)的中跨撓度值越大。根據(jù)活荷載下分析的撓度值，①號(hào)連續(xù)梁橋邊跨下?lián)?.36 mm，中跨下?lián)?3.68 mm，中跨撓度是邊跨的2.55倍，中跨撓度是跨徑的1/3 509；②號(hào)連續(xù)梁橋邊跨下?lián)?.99 mm，中跨下?lián)?5.08 mm，中跨撓度是邊跨的2.78倍，中跨撓度是跨徑的1/2 552；③號(hào)連續(xù)梁橋邊跨下?lián)?.34 mm，中跨下?lián)?3.69 mm，中跨撓度是邊跨的3.22倍，中跨撓度是跨徑的1/3 377；④號(hào)連續(xù)梁橋邊跨下?lián)?1.22 mm，中跨下?lián)?7.23 mm，中跨撓度是邊跨撓度的3.31倍，中跨撓度是跨徑的1/2 686。

由此得出4座連續(xù)梁橋的中跨活載撓度是邊跨的2.5～4.0倍，是跨徑的 1/2 500～1/3 500。

3.2 收縮徐變撓度的對(duì)比結(jié)果

收縮徐變是混凝土類材料對(duì)環(huán)境以及應(yīng)力變化做出的反應(yīng)，影響收縮徐變的因素很多，如混凝土強(qiáng)度種類、養(yǎng)護(hù)齡期、環(huán)境溫度濕度等。圖4為4座連續(xù)梁橋成橋時(shí)與成橋20年后收縮徐變撓度變化圖(收縮徐變采用JTG D62-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》公式進(jìn)行計(jì)算)。

由圖4可知：①號(hào)連續(xù)梁橋成橋時(shí)邊跨收縮徐變最大撓度為3.97 mm，中跨為5.67 mm；20年后邊跨收縮徐變最大撓度為6.56 mm，中跨為4.59 mm；②號(hào)連續(xù)梁橋成橋時(shí)邊跨收縮徐變最大撓度為10.08 mm，中跨為10.60 mm；20年后邊跨收縮徐變最大撓度為14.51 mm，中跨為16.95 mm；③號(hào)連續(xù)梁橋成橋后邊跨收縮徐變最大撓度為6.00 mm，中跨為10.96 mm；20年后邊跨收縮徐變最大撓度為8.15 mm，中跨為18.83 mm；④號(hào)連續(xù)梁橋成橋時(shí)邊跨收縮徐變最大撓度為11.33 mm，中跨為9.66 mm，20年后邊跨收縮徐變最大撓度為15.06 mm，中跨為11.64 mm。

收縮徐變對(duì)橋梁的撓度變化有影響，但并未根據(jù)跨徑變化呈現(xiàn)規(guī)律性。

3.3 施工預(yù)拱度結(jié)果

施工預(yù)拱度設(shè)置考慮梁體自重、施工荷載、混凝土收縮徐變及列車活載影響，采用預(yù)拱度計(jì)算公式為：恒載絕對(duì)值+0.5×活載絕對(duì)值。圖5為4座連續(xù)梁橋的施工預(yù)拱度圖。

圖4 連續(xù)梁橋收縮徐變撓度

圖5 連續(xù)梁橋施工預(yù)拱度曲線

由圖5可知:4座連續(xù)梁橋的施工預(yù)拱度隨著跨徑的增大而逐漸變大。①號(hào)橋邊跨的最大施工預(yù)拱度為12.07 mm，中跨為19.76 mm；②號(hào)橋邊跨的最大施工預(yù)拱度為16.29 mm，中跨為27.60 mm；③號(hào)橋邊跨最大施工預(yù)拱度為17.49 mm，中跨為34.48 mm；④號(hào)橋邊跨最大施工預(yù)拱度為27.00 mm，中跨為50.15 mm。

考慮由于橋梁自重以及預(yù)應(yīng)力鋼束位置、數(shù)量的影響，不同跨徑連續(xù)梁橋也會(huì)存在不同的變形數(shù)值。所述4座連續(xù)梁中跨跨中最大施工預(yù)拱度在19～51 mm之間，相比公路橋梁施工預(yù)拱度較小。

4 梁體變形實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析

為驗(yàn)證所建立有限元模型的正確性與真實(shí)性，特對(duì)①～④號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程進(jìn)行對(duì)比分析。由于4座連續(xù)梁橋?qū)崫岣叱膛c理論高程相差較小，為了更清晰地反映出實(shí)測(cè)高程與理論高程的差別，給出圖6相對(duì)高程差(實(shí)測(cè)高程-理論高程)進(jìn)行直觀分析。

由圖6可以看出：①～④號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程隨里程的變化相差不大，反映出施工期間線形控制的精確性。同時(shí)由計(jì)算數(shù)據(jù)可得：①號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程差主要集中在5～10 mm之間，最大差值為15 mm；②號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程差集中在10～15 mm之間，最大差值為19 mm；③號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程差集中在5～15 mm之間，最大差值為16 mm；④號(hào)連續(xù)梁橋?qū)崪y(cè)高程與理論高程差集中在5～15 mm之間，最大誤差為19 mm。

圖6 實(shí)測(cè)高程與理論高程差

筆者建議，為控制合龍段施工誤差，需保證更加精確地將合龍時(shí)間選擇在溫差較小時(shí)段，將進(jìn)一步減小實(shí)測(cè)高程與理論高程的差值。

5 結(jié)論

以4座連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立有限元?jì)算模型，并對(duì)其活載撓度、施工預(yù)拱度、梁體收縮徐變撓度、實(shí)測(cè)與理論高程差進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)4座連續(xù)梁橋由活載引起的撓度較小，在12～38 mm范圍內(nèi)，中跨活載撓度是邊跨活載撓度的2.5～4.0倍，是跨徑的1/2 500～1/3 500。

(2)4座連續(xù)梁橋的邊跨最大施工撓度在12～27 mm范圍，中跨最大施工預(yù)拱度在19～50 mm范圍內(nèi)。

(3)受混凝土收縮徐變的影響，連續(xù)梁橋成橋時(shí)邊跨收縮徐變最大撓度為3.50～11.33 mm，中跨為5.50～11.00 mm；20年后邊跨收縮徐變最大撓度為6.50～11.50 mm，中跨為4.5～20.00 mm。

(4)梁體實(shí)測(cè)高程與理論值相差較小，4座橋的實(shí)測(cè)高程與理論差集中在5～15 mm之間，最大差值為19 mm，滿足施工要求。