連續(xù)剛構(gòu)橋合攏段預(yù)壓值有限元分析與工程應(yīng)用

李彪

（南寧城市建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司）

1 引言

掛籃階段施工橋梁的合龍段施工是橋梁整體施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，合龍段的順利合龍標(biāo)志著橋梁主體結(jié)構(gòu)即將結(jié)束，同時(shí)也隨著結(jié)構(gòu)體系約束狀態(tài)、內(nèi)力及線形分布的改變而改變[2]。

剛構(gòu)橋主梁最大“T”構(gòu)在合龍段施工前屬于靜定結(jié)構(gòu)，隨著合龍段的施工，“T”構(gòu)部位由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，而已經(jīng)為超靜定結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)亦隨之增加。橋梁結(jié)構(gòu)隨結(jié)構(gòu)約束條件的改變，在不同合龍段預(yù)壓值作用時(shí)，懸臂端的位移不同，橋梁后期的內(nèi)力與線型亦不同。為充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中不確定因素，需提前分析合龍預(yù)壓力值的主要因素[3‐4]與相應(yīng)預(yù)壓效果，以保障橋梁結(jié)構(gòu)施工。

本文通過(guò)對(duì)某三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋合龍段預(yù)壓值展開分析研究，對(duì)比分析考慮各荷載情況下的合龍預(yù)壓值。進(jìn)一步分析相應(yīng)預(yù)壓值下的懸臂端位移值，為現(xiàn)場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的合龍施工提供指導(dǎo)，也為同類型橋梁提供參考數(shù)據(jù)。

2 三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋工程

三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩布置。主橋立面圖見圖1所示：梁孔跨布置為（45m+73m+45m），橋梁寬度17m。箱梁根部高度4.2m，跨中高度2.3m，箱梁根部底板厚100cm，跨中底板厚25cm。

圖1 三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置圖

大橋主梁“T”構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸大致對(duì)稱：在縱橋向均劃分為7 個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度 分 別 為9.0m 長(zhǎng)0 號(hào) 段+3×4.0m+4×4.75m。主墩0 號(hào)塊段與邊界墩現(xiàn)澆段均采用支架（托架）澆注。主墩“T”構(gòu)部分采用掛藍(lán)對(duì)稱懸臂澆注。每幅橋有兩個(gè)邊跨合龍段和一個(gè)中跨合龍段，共計(jì)3個(gè)合龍段，邊、中跨合攏段長(zhǎng)均為2.0m，均采用吊架合龍的施工方案。

三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)左右兩幅橋各有三塊合龍段現(xiàn)澆箱梁，合龍段施工前有必要針對(duì)合龍段預(yù)壓力值展開研究，為橋梁結(jié)構(gòu)的順利合龍?zhí)峁┲笇?dǎo)。

3 算例分析

采用橋梁工程軟件MIDAS/Civil 進(jìn)行有限元分析，對(duì)上述三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行施工仿真分析過(guò)程的具體分析內(nèi)容如下：

①根據(jù)大橋?qū)嶋H施工塊段的劃分情況劃分有限元模型的單元，根據(jù)三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)材料、預(yù)應(yīng)力條件等定義相關(guān)參數(shù)（包括材料型號(hào)、預(yù)應(yīng)力施加等）；

②根據(jù)施工進(jìn)程進(jìn)行施工仿真分析，定義初始條件（如模型的初始溫度）和邊界條件，施加荷載進(jìn)行求解；

③跟進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，修改相應(yīng)的參數(shù)（包括混凝土齡期、混凝土強(qiáng)度與容重、預(yù)應(yīng)力施加時(shí)間、塊段施工持續(xù)時(shí)間等）；

④主梁合龍階段，根據(jù)合龍順序，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型，分析相應(yīng)預(yù)壓力值；

⑤結(jié)構(gòu)后處理，根據(jù)合龍預(yù)壓值修改模型中的施工階段條件（包括單元條件、荷載條件和邊界條件），分析不同的施工預(yù)壓值對(duì)應(yīng)的力與梁體變位關(guān)系，進(jìn)一步分析合龍方案的可行性。

3.1 有限元模型

橋梁上部結(jié)構(gòu)按掛藍(lán)施工時(shí)塊段劃分的尺寸劃分單元，上部結(jié)構(gòu)離散為85個(gè)單元。將完整的橋梁結(jié)構(gòu)模型建立后，對(duì)某個(gè)施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模擬則通過(guò)單元的鈍化和激活來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 計(jì)算原理

橋梁結(jié)構(gòu)在不同的合龍預(yù)壓值下，對(duì)應(yīng)合龍段施工時(shí)，合龍預(yù)壓力值與位移值不同。不同的合龍預(yù)壓值，合龍時(shí)刻外界溫度、箱梁體溫度不同，因而箱梁體在溫度作用下的伸縮量有所不同。

3.3 溫度對(duì)頂推力的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋是超靜定結(jié)構(gòu)，主梁混凝土的收縮徐變、在溫度變化下的收縮等都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，特別是對(duì)溫度的敏感程度較高。合龍段施工時(shí)，當(dāng)實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不一致，橋梁上部結(jié)構(gòu)在合龍段施工前因熱脹冷縮有一定的伸縮量，這一部分伸縮量對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在合龍塊段澆筑后結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定，會(huì)在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次內(nèi)力。目前調(diào)整這一部分次內(nèi)力的方法主要是改變梁體溫度和施加頂推力。施加頂推力是指，在合龍段勁性骨架固定前，在合龍段朝橋墩方向施加頂推力，使得箱梁有一定的壓縮量、橋墩墩頂有一定位移。

三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)合龍溫度不大于20℃，在實(shí)際施工中合龍溫度可能高于20℃，溫度超出設(shè)計(jì)值的量對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的梁體伸縮量，相應(yīng)在合龍段施工時(shí)應(yīng)以頂推力彌補(bǔ)梁體該部分伸縮量。連續(xù)剛構(gòu)橋，即使在設(shè)計(jì)溫度合龍，也需要施加一個(gè)預(yù)壓值。為設(shè)計(jì)合龍的頂推力，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度相差超過(guò)5℃時(shí)，就需要考慮這一部分溫差引起的額外頂推力值。

4 預(yù)壓力值分析

4.1 中跨合攏段配重計(jì)算

壓重力值計(jì)算基本思路是在中跨兩端及邊跨側(cè)進(jìn)行水箱配重，每個(gè)水箱所加配重的理論重量為合龍段砼。但是單獨(dú)考慮該合龍段砼自重，忽略了掛籃自重對(duì)懸臂端的影響。掛籃施工過(guò)程中，因掛籃自重占合攏段自重的比例較大，掛籃對(duì)合龍段的壓重影響不容忽視。

4.2 剛構(gòu)橋配重算例分析

在三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋梁合龍段壓重計(jì)算過(guò)程及施工過(guò)程中，掛籃結(jié)構(gòu)因主桁架結(jié)構(gòu)影響，兩個(gè)懸臂端上的水箱分別加載在懸臂端兩側(cè)，位于7 號(hào)塊中線處，距離主墩的距離均為33.1m。

合攏段兩側(cè)配重計(jì)算時(shí)，水箱配重加載需滿足兩個(gè)力矩平衡，即掛籃自重的力矩平衡和合攏段自重的力矩平衡。

由技術(shù)參數(shù)知，掛籃質(zhì)量為54.94t，合龍段整體質(zhì)量為65.5t，距主墩中心處為36.5m，

1）掛籃自重的力矩平衡

兩側(cè)掛籃自重及水箱配重需滿足以下平衡條件

L1–前移掛籃側(cè)距離主墩的距離，為30.7m

L2–后移掛籃側(cè)距主墩的距離，為28.2m

L3–水箱距主墩處的距離，為33.1m

將數(shù)據(jù)代入（1）式中，得出平衡掛籃自重所施加的荷載為2.6t。

2）合龍段自重的力矩平衡

合龍段混凝土自重占合龍段總重的比例較鋼筋及勁性骨架大得多，故配重的計(jì)算僅考慮合龍段混凝土的自重。

合龍段混凝土自重為57.6t，合龍段自重荷載對(duì)半加載在兩側(cè)主墩兩側(cè)，故中跨合龍段每側(cè)加載的配重為（57.6t/2）×36.5/33.1=31.8t。

綜上所述，掛籃及合龍段混凝土自重對(duì)主墩產(chǎn)生的荷載為前移掛籃側(cè)31.8t，后移掛籃側(cè)34.4t。

三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋如果忽略掛籃荷載對(duì)預(yù)壓力值的影響，將會(huì)忽略合龍段兩端懸臂端因掛籃移位形成的力矩不平衡。上述三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋梁合龍段壓重計(jì)算數(shù)值，綜合考慮了合龍段自重和掛籃移位的綜合影響，為橋梁結(jié)構(gòu)的順利合龍?zhí)峁┝酥笇?dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

多跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋在合龍段施工時(shí)，不同的合龍預(yù)壓值，橋梁結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的線型與內(nèi)力不同，合龍時(shí)的預(yù)壓力求算要兼顧掛籃荷載和合龍段混凝土自重荷載。本文合龍段預(yù)壓荷載計(jì)算為三跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋順利合龍?zhí)峁┍Ｕ?，也能夠?yàn)橥愋蜆蛄旱氖┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>