混凝土連續(xù)梁施工過程中支座預(yù)偏對(duì)支承體系的影響

宋國映

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

懸臂施工是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁常用的施工方法，首先利用掛籃懸臂施工，待完成最大懸臂段澆筑后，進(jìn)行邊跨合龍，最后進(jìn)行全橋合龍。然而由于預(yù)應(yīng)力的分階段張拉和混凝土收縮徐變，在施工前需要對(duì)支座設(shè)置縱向預(yù)偏，以消除成橋后橋梁梁體產(chǎn)生的縱向位移，降低運(yùn)營階段中橋墩的偏心力矩。

支座預(yù)偏量主要受到預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮徐變以及溫度等因素的影響。劉世忠研究了連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變及合龍溫度因素對(duì)支座伸縮變形的影響，表明混凝土收縮徐變的影響最大應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)彈性模量和成橋10年設(shè)置支座縱向位移；合龍溫度偏差對(duì)支座縱向位移產(chǎn)生影響較大。張欣欣等人以一聯(lián)18跨客運(yùn)專線連續(xù)梁為工程背景，分析合龍溫度、收縮徐變對(duì)支座預(yù)偏量的影響。

由于支座預(yù)偏量會(huì)導(dǎo)致懸臂過程中的不對(duì)稱施工，導(dǎo)致橋墩兩側(cè)產(chǎn)生不平衡力矩，對(duì)橋梁的下部支承體系的受力行為產(chǎn)生一定的影響。為了進(jìn)一步指導(dǎo)橋梁懸臂施工，該文利用有限元軟件模擬連續(xù)梁非對(duì)稱懸臂施工，研究支座預(yù)偏量對(duì)下部支承體系的受力影響。

1 工程背景

蘄河特大橋位于湖北省黃岡市蘄春縣境內(nèi)，為連續(xù)梁-柔性拱組合體系，橋跨布置為（100+196+100）m，如圖1所示?？傮w施工方案為“先梁后拱”，即先按照懸臂施工方法完成連續(xù)梁的合龍，后施工拱肋，張拉吊桿。梁懸臂段施工采用掛籃懸澆方式施工，施工步驟如圖2所示，在前一個(gè)塊段施工完成后（張拉、注漿完成），通過掛籃移動(dòng)，移至下一個(gè)塊段，并調(diào)整底模標(biāo)高實(shí)現(xiàn)塊段高度變化，通過在前一個(gè)塊段預(yù)留掛籃后錨孔進(jìn)行掛籃的固定。0#塊以及邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆施工，其余節(jié)段采用懸臂施工法，按照先邊跨合攏、再中跨合攏的步驟進(jìn)行合攏段施工，完成連續(xù)梁的主體施工。

圖1 蘄河特大橋立面圖（單位：m）

圖2 連續(xù)梁懸臂施工流程圖

連續(xù)梁0號(hào)現(xiàn)澆支架采用鋼管立柱+體外臨時(shí)固結(jié)+工字鋼的形式。鋼管立柱型號(hào)為φ800mm×12mm和φ2000mm×20mm兩種型號(hào)，與橋墩對(duì)拉槽鋼之間通過[20b槽鋼剪刀撐相連，鋼管立柱每個(gè)中心穿過5根φ32mm精軋螺紋鋼，底部透過鋼板錨入承臺(tái)內(nèi)，頂部伸入梁體。支架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 0號(hào)塊現(xiàn)澆支架立面圖（單位：cm）

2 連續(xù)梁支座預(yù)偏量仿真計(jì)算

該文重點(diǎn)研究支座偏移量在施工過程中對(duì)臨時(shí)支架和墩身結(jié)構(gòu)的影響，因此僅開展3#墩支座預(yù)偏量的計(jì)算。支座預(yù)偏量Δ需要考慮三部分。連續(xù)梁體系轉(zhuǎn)換后由預(yù)應(yīng)力張拉引起的梁體縱向變形（）；混凝土收縮徐變引起的梁體縱向變形（）；合龍時(shí)，由實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)溫度的差異引起的橋梁縱向變形（）。支座偏移量Δ與梁體縱向變形量相反。

由于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在施工階段中存在體系轉(zhuǎn)換，受力較為復(fù)雜，因此一般采用有限元仿真的方法實(shí)現(xiàn)支座偏移量計(jì)算。已有研究表明：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋出現(xiàn)梁體縱向縮短、支座偏移的情況，分析施工中梁體出現(xiàn)縱向縮短的原因，體系轉(zhuǎn)化為主要因素，施工中移動(dòng)掛籃、澆筑梁段和張拉預(yù)應(yīng)力的影響甚小。因此在計(jì)算支座預(yù)偏量時(shí)，需要對(duì)連續(xù)梁整個(gè)施工過程進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立蘄河特大橋施工過程仿真模型，其中施工階段1～施工階段67為合龍之前，施工階段68～施工階段107為橋梁合龍至成橋施工階段，施工階段108～施工階段114為運(yùn)營階段混凝土收縮徐變過程。該研究不考慮普通鋼筋參與結(jié)構(gòu)受力，采用空間桿系單元建立結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)算模型，全橋離散為2486個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?714個(gè)，桁架單元84個(gè)，實(shí)體單元688個(gè)。全橋主梁分2個(gè)T構(gòu)同時(shí)對(duì)稱懸臂施工，主梁完成后進(jìn)行拱肋相關(guān)施工，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

在計(jì)算時(shí)，需要考慮混凝土材料的彈性模量帶來的影響，混凝土彈性模量與混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系可參考“公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范”。通過有限元施工過程仿真分析計(jì)算為-16 mm?；炷潦湛s徐變的引起的縱向變形通過MIDAS模型中的理論厚度計(jì)算。混凝土收縮徐變時(shí)間考慮50年，從橋面系鋪裝后，混凝土收縮徐變引起的縱向變形量變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 混凝土引收縮徐變引起的縱向變形量

混凝土收縮徐變引起的梁體縱向變形量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐步減緩，在成橋后30年左右趨于穩(wěn)定，最終的為-49mm。按照設(shè)計(jì)溫度完成合龍，因此溫度引起的梁體縱向變形量為0，根據(jù)公式（1）可計(jì)算支座預(yù)偏量為65 mm。

3 支座預(yù)偏量對(duì)下部支承體系受力分析

在梁體懸臂施工過程中，支座預(yù)偏量會(huì)引起T構(gòu)兩側(cè)的不平衡力矩，引起兩側(cè)支承體系的不均勻受力，必然出現(xiàn)一側(cè)受力較大，一側(cè)受力較小的情況。受力較大一側(cè)的支承體系面臨更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。需要定量分析支座預(yù)偏后下部支撐體系的受力變化特點(diǎn)。懸臂施工存在多次預(yù)應(yīng)力張拉和體系轉(zhuǎn)換的情況，必須基于整個(gè)施工過程分析下部支承體系的受力變化規(guī)律。為了研究支座縱向預(yù)偏量的影響因素以及影響規(guī)律，該文利用有限元軟件模擬連續(xù)梁非對(duì)稱懸臂施工，研究支座預(yù)偏量對(duì)臨時(shí)支承內(nèi)力、橋墩內(nèi)力的影響，為下部支撐體系的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3.1 支座預(yù)偏對(duì)臨時(shí)支撐的影響

根據(jù)施工節(jié)段的劃分，臨時(shí)固結(jié)從施工階段1開始參與體系受力，到施工階段67拆除。在施工節(jié)段67之前，永久墩不參與T構(gòu)受力，所有豎向荷載均由臨時(shí)固結(jié)承受，分析永久橋墩兩側(cè)的臨時(shí)固結(jié)兩側(cè)的臨時(shí)支承1、臨時(shí)支承2在支座預(yù)偏后的受力變化規(guī)律，兩個(gè)臨時(shí)支承的受力隨施工階段的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 支座偏移量對(duì)臨時(shí)支撐受力的影響

通過施工階段仿真分析可以得出，永久橋墩兩側(cè)的臨時(shí)支承在支座預(yù)偏的情況下，豎向支撐力存在顯著的不平衡力，最大不平衡力為6000kN。在施工階段中應(yīng)考慮支座預(yù)偏后對(duì)臨時(shí)固結(jié)造成的不利影響。

3.2 支座預(yù)偏量對(duì)橋墩受力的影響

施工階段68拆除臨時(shí)支承后，永久墩開始參與體系受力。相比于無支座偏移量的情況，由于支座預(yù)偏的存在，永久墩在施工過程中會(huì)處于偏心受壓狀態(tài)，造成一側(cè)應(yīng)力較大的情況。通過仿真分析，計(jì)算有無支座預(yù)偏量?jī)煞N情況下的橋墩的最大壓應(yīng)力，兩種工況下橋墩最大壓應(yīng)力變化趨勢(shì)見圖7。

圖7 各個(gè)施工階段下橋墩受力受力變化趨勢(shì)

從臨時(shí)支承拆除（施工階段68）一直到二期恒載鋪裝完成（施工階段108），有支座偏移量的橋墩受力均大于無支座偏移量情況下的橋墩應(yīng)力，且在成橋后達(dá)到最大值。將各個(gè)施工階段下橋墩最大應(yīng)力做差（圖8），可以發(fā)現(xiàn)在橋梁完成收縮徐變后，有支座偏移的橋墩應(yīng)力小于無支座偏移的橋墩應(yīng)力。表明在施工過程中有支座偏移的工況對(duì)橋墩受力更加不利，比無預(yù)設(shè)支座偏移工況下的橋墩應(yīng)力要小1.4MPa，但在運(yùn)營過程中會(huì)降低橋墩的偏心彎矩，有支座偏移工況下的橋墩應(yīng)力比無預(yù)設(shè)支座偏移的工況下的橋墩應(yīng)力小1.6MPa，該應(yīng)力由偏心彎矩引起，占橋墩總應(yīng)力的比例為1.6/25.3=6.3%。

圖8 有支座預(yù)偏與無支座偏移兩種工況下橋墩應(yīng)力之差

4 結(jié)論

對(duì)大跨連續(xù)梁體系來說，梁體縱向預(yù)應(yīng)力張拉以及混凝凝土收縮徐變引起的縱向位移不容忽視。該文對(duì)比分析了有支座預(yù)偏工況下臨時(shí)固結(jié)及橋墩受力差異。研究表明施工過程中的支座預(yù)偏會(huì)引起懸臂施工T構(gòu)的不平衡力矩，使橋墩兩側(cè)的臨時(shí)固結(jié)支墩受力不一致，在臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)中需要考慮支座預(yù)偏引起的不利影響。永久墩在臨時(shí)固結(jié)拆除后為偏心受壓狀態(tài)，在梁體完成收縮徐變后，梁體支座需要變化至設(shè)計(jì)位置，才能保證偏心力消失。因此在實(shí)際工程中，建議 提高支座預(yù)偏量的計(jì)算精度，可改善橋墩運(yùn)營期間的受力情況。