懸臂施工連續(xù)梁拱組合體系安全性分析

摘要：連續(xù)梁拱組合體系橋梁主要采用懸臂施工的方法，該體系會(huì)產(chǎn)生多次轉(zhuǎn)換，因此對(duì)該類型橋梁在施工過(guò)程中的安全性研究很有必要。文章以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，建立了離散化Midas Civil雙主梁模型，根據(jù)最大懸臂階段可能承受的5種荷載作用組合，分析主梁的應(yīng)力、位移效應(yīng)。研究表明，掛籃與澆筑節(jié)段跌落對(duì)主梁影響顯著，此階段主梁最小安全儲(chǔ)備為1.96，表明結(jié)構(gòu)較為安全。

關(guān)鍵詞：懸臂施工方法；梁拱組合體系；施工效應(yīng)；數(shù)值模擬；安全儲(chǔ)備

中文分類號(hào)：U448.21+5A391244

0引言

隨著國(guó)內(nèi)交通事業(yè)不斷推進(jìn)，在橋梁建設(shè)中需要克服多種難題。連續(xù)梁橋由于跨中下?lián)蠈?duì)跨徑產(chǎn)生限制［1］。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)建造的組合體系橋梁數(shù)量日益增多，其中，連續(xù)梁拱組合體系橋梁是發(fā)展最迅速的一種橋型［2］。

對(duì)于大跨徑連續(xù)梁拱組合體系橋梁，施工過(guò)程中會(huì)發(fā)生多次體系轉(zhuǎn)換，在各種不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)局部可能出現(xiàn)應(yīng)力超限與失穩(wěn)，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全儲(chǔ)備進(jìn)行研究是很有必要的。劉承亮等［3］以連續(xù)梁拱組合體系的萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋?yàn)橐劳许?xiàng)目工程，分析拱肋架設(shè)過(guò)程中橋梁力學(xué)響應(yīng)，確定合理的施工方案。王松林［4］以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，研究施工過(guò)程中橋梁力學(xué)行為，對(duì)施工過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行控制，并對(duì)全過(guò)程進(jìn)行分析。吳天［5］分析一座（62+132+62） m的連續(xù)梁拱組合橋，建立全橋仿真模型，分析主梁和拱肋施工過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。Chong Yang Zhou［6］對(duì)一座梁拱組合橋的線形及內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究溫度對(duì)結(jié)構(gòu)施工變形與應(yīng)力的影響規(guī)律，得到了影響線形平順的關(guān)鍵因素是由于溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力。梅葵花等［7］對(duì)江東多跨連續(xù)梁拱組合體系大橋施工過(guò)程的內(nèi)力和應(yīng)力進(jìn)行分析，確定橋梁合理的施工順序與安全儲(chǔ)備。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于連續(xù)梁拱組合體系橋梁施工過(guò)程的研究主要集中在體系轉(zhuǎn)換以及參數(shù)優(yōu)化等方面，但是對(duì)于施工過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)研究較少。本文以一座連續(xù)梁拱組合體系大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，根據(jù)橋梁承受的作用組合，對(duì)梁拱組合體系在最大懸臂階段進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備分析評(píng)定，對(duì)同類型橋梁的設(shè)計(jì)與施工具有重要指導(dǎo)意義。

1工程背景

1.1工程概況

本文依托工程為陜西省某在建梁拱組合連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)60 km/h的雙向六車(chē)道公路橋梁，橋位處地面高差達(dá)120 m。主橋縱向位于縱坡為i=2.000%的直線上，主橋共6跨，孔徑布置為（90+4×170+90） m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面分體箱，單箱單室截面，全寬為41.6 m，單箱頂寬為20.5 m，底寬為10.95 m，分體中間設(shè)0.6 m寬的后澆濕接縫。依托工程立面與主梁橫斷面圖如圖1、圖2所示。

1.2有限元分析模型

采用Midas Civil軟件對(duì)本文工程背景4拱6跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁進(jìn)行建模，如圖3所示。其中結(jié)構(gòu)的主梁、主墩、主拱采用梁?jiǎn)卧?，吊桿采用桁架單元模擬。主梁考慮縱坡，濕接縫采用虛擬橫梁模擬，建立雙主梁模型。橋面系上的質(zhì)量平均分配到主梁對(duì)應(yīng)的梁?jiǎn)卧?，主梁和吊桿之間采用剛性連接，其中主梁作為主節(jié)點(diǎn)，吊桿下緣作為從節(jié)點(diǎn)。主梁、主拱、橋墩之間的連接采用彈性連接里面的剛性接模擬，樁土效應(yīng)采用“m法”計(jì)算每層土的剛度，以節(jié)點(diǎn)彈性支承的方式施加到樁節(jié)點(diǎn)上。

1.3施工步驟

本橋?yàn)檫B續(xù)梁拱組合體系橋梁，在施工過(guò)程中采用懸臂施工法，可劃分為以下步驟：

（1）施工11#～17#墩，在橋墩施工過(guò)程中，設(shè)橋向臨時(shí)支撐；安裝0#塊現(xiàn)澆托架，并對(duì)托架進(jìn)行預(yù)壓。

（2）鎖死主墩間臨時(shí)支撐，0#塊立模、澆筑，1#塊～21#塊掛籃對(duì)稱澆筑，達(dá)到強(qiáng)度后預(yù)應(yīng)力鋼束張拉并壓漿。

（3）邊跨現(xiàn)澆段澆筑完成后，合龍段兩側(cè)各加水箱壓重，安裝內(nèi)外剛性支撐，張拉臨時(shí)鋼束，在澆筑合龍段混凝土的同時(shí)，進(jìn)行水箱泄水，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，張拉鋼束并灌漿。

（4）邊跨合龍完成后，進(jìn)行次中跨與中跨的合龍，兩次合龍的頂推力分別為1 000 kN和4 800 kN，安裝支架、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

（5）橋面系上安裝拱肋支架，架設(shè)拱肋。

（6）安裝吊桿，分批次拆除拱肋支架，張拉吊桿，進(jìn)行橋面鋪裝與護(hù)欄安裝。

1.4荷載分析

（1）自重。

（2）掛籃脫落荷載。橋梁施工過(guò)程中由于人工操作不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)的老化，導(dǎo)致掛籃在節(jié)段澆筑的過(guò)程中出現(xiàn)脫落。采用掛籃重量的1.1倍，施加在另一端。

（3）梁節(jié)段跌落荷載。橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中，由于掛籃發(fā)生跌落，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆的混凝土塊與掛籃一起跌落。采用跌落梁節(jié)段重量的1.1倍，施加在另一端。

（4）不平衡澆筑荷載。橋梁結(jié)構(gòu)在澆筑過(guò)程中，由于模板安裝過(guò)程中存在誤差，導(dǎo)致懸臂兩端混凝土的澆筑量不同。考慮結(jié)構(gòu)澆筑過(guò)程中的超方量，澆筑誤差按一側(cè)+5%考慮。

（5）風(fēng)荷載。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載，依據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01-2018）［8］第5.4.3條進(jìn)行計(jì)算。作用在橋墩和主拱上的風(fēng)荷載按照0.65倍墩高處的風(fēng)速確定，以均布荷載作用于結(jié)構(gòu)上。風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果如表1所示。

（6）溫度作用。溫度作用計(jì)算時(shí)，混凝土線膨脹系數(shù)按1×10-5取值，鋼材線膨脹系數(shù)按1.2×10-5取值，橋梁結(jié)構(gòu)合龍溫度為10 ℃～15 ℃。溫度作用模式分兩種：①整體升溫25 ℃；②整體降溫-23 ℃。溫度梯度按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）［9］第4.3.12條取用。

2懸臂施工階段安全性分析

懸臂對(duì)稱施工法是橋梁施工中常用的一種方法，在施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)并未形成體系，且結(jié)構(gòu)中承受的荷載是不斷變化的，施工中出現(xiàn)的荷載，都可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利影響。所以，本小節(jié)考慮施工階段的累計(jì)變形與應(yīng)力，得到主梁在各個(gè)荷載組合作用下的效應(yīng)（如下頁(yè)表2所示），并對(duì)最大懸臂狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析。需要說(shuō)明的是，在分析時(shí)為了研究最不利狀況，考慮結(jié)構(gòu)承受不對(duì)稱荷載，所有荷載均施加在結(jié)構(gòu)大里程側(cè)懸臂。

2.1各作用對(duì)主梁的應(yīng)力影響分析

在懸臂施工階段，橋梁結(jié)構(gòu)在各作用下，主梁截面上緣可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以在施工過(guò)程中以主梁上緣應(yīng)力為控制應(yīng)力。由于最大懸臂階段在懸臂施工過(guò)程中最不利，故僅對(duì)這一階段進(jìn)行分析。承受荷載的大里程側(cè)懸臂主梁上緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在最大懸臂階段，主梁上緣在各種荷載作用組合下都不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)在最大懸臂階段時(shí)，各作用下主梁截面上緣應(yīng)力相比作用1均有一定的減小，其中在距離墩頂10～30 m與34～42 m的范圍內(nèi)應(yīng)力降低較多：作用2中，主梁上緣應(yīng)力最大減小了1.22 MPa，降低了12.87%；作用3中，主梁上緣應(yīng)力最大減小了2.56 MPa，降低了27.00%；作用4中，主梁上緣應(yīng)力最大減小了2.98 MPa，降低了31.43%；作用5中，主梁上緣應(yīng)力最大減小了3.06 MPa，降低了32.3%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，作用2與作用3降低的幅度較大，對(duì)主梁應(yīng)力影響較大，說(shuō)明掛籃跌落與澆筑節(jié)段跌落對(duì)主梁的應(yīng)力變化起決定性作用。

2.2各作用對(duì)主梁的撓度影響分析

結(jié)構(gòu)在各作用下，兩側(cè)懸臂主梁的變形不一致，承受荷載的大里程側(cè)懸臂變形情況如圖5所示。

橋梁結(jié)構(gòu)在最大懸臂階段，隨著與墩頂?shù)木嚯x的不斷增加，結(jié)構(gòu)的豎向位移逐漸增大，到懸臂端時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的澆筑塊的自重小于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上撓值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向位移逐漸減小。各作用下主梁豎向位移相比作用1均有一定增加，其中在距離主梁70～80 m的范圍內(nèi)豎向位移增加得比較多：作用2中，主梁豎向位移最大增加了65.44 mm，增加了189.12%；作用3中，主梁豎向位移最大增加了137.01 mm，增加了395.95%；作用4中，主梁豎向位移最大增加了145.55 mm，增加了420.63%；作用5中，主梁豎向位移最大增加了147.43 mm，增加了426.05%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在承受不對(duì)稱荷載時(shí)，掛籃跌落與澆筑塊跌落對(duì)主梁撓度影響最大。

2.3最大懸臂階段結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備分析

通過(guò)上面的計(jì)算，選取最不利的作用5為控制作用，計(jì)算結(jié)構(gòu)在最大懸臂階段主梁的安全儲(chǔ)備。計(jì)算結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的目標(biāo)如下：

（1）截面出現(xiàn)拉應(yīng)力。

（2）截面出現(xiàn)裂縫。

（3）截面達(dá)到規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段的應(yīng)力限值。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，依據(jù)《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》（JTG 3362-2018）［10］第7.2.8條，在預(yù)應(yīng)力和自重等施工荷載作用下結(jié)構(gòu)法向應(yīng)力應(yīng)滿足式（1）、式（2）：

δtcc≤0.70f′ck（1）

δtct≤1.15ftk（2）

式中：δtcc、δtct——短暫狀況混凝土截面邊緣的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力；

f′[KG-1.5mm]ck、f′[KG-1.5mm]tk——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

在后面的計(jì)算中，統(tǒng)一稱為標(biāo)準(zhǔn)1、標(biāo)準(zhǔn)2、標(biāo)準(zhǔn)3，應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)計(jì)算如下：

（3）

主梁各位置在標(biāo)準(zhǔn)1、標(biāo)準(zhǔn)2與標(biāo)準(zhǔn)3下的應(yīng)力安全儲(chǔ)備情況如圖6所示。

根據(jù)圖6，在最不利作用5下，結(jié)構(gòu)在距離墩頂50～70 m的范圍內(nèi)主梁的應(yīng)力安全儲(chǔ)備較低，在懸臂端處，標(biāo)準(zhǔn)1的應(yīng)力安全儲(chǔ)備較小，但標(biāo)準(zhǔn)2與標(biāo)準(zhǔn)3的儲(chǔ)備較大。這是因?yàn)楸旧碇当容^小，不同標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低值的范圍不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力安全儲(chǔ)備變化較大。在標(biāo)準(zhǔn)1中，截面距墩頂68 m處應(yīng)力安全儲(chǔ)備最小，為1.96；標(biāo)準(zhǔn)2中，截面距墩頂56 m應(yīng)力安全儲(chǔ)備最小，為3.44；標(biāo)準(zhǔn)3中，截面距墩頂56 m處應(yīng)力安全儲(chǔ)備最小，為3.65。

3結(jié)語(yǔ)

本文以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，在提出該結(jié)構(gòu)安全分析荷載作用的前提下，結(jié)合施工過(guò)程，對(duì)最大懸臂階段的應(yīng)力、變形以及安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)最大懸臂階段可能承受的荷載，組合5種荷載作用，在掛籃跌落、澆筑節(jié)段跌落、不均勻澆筑以及風(fēng)荷載下，分析不同作用主梁的應(yīng)力、位移效應(yīng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，掛籃跌落與澆筑節(jié)段跌落對(duì)主梁的影響較大，施工過(guò)程中要對(duì)掛籃進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，尤其是在梁節(jié)段澆筑過(guò)程中。

（2）考慮最不利作用5，根據(jù)混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力、出現(xiàn)裂縫與規(guī)范規(guī)定的施工階段應(yīng)力限值，定義了三種標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)下的主梁應(yīng)力安全儲(chǔ)備。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，主梁在距離墩頂50～70 m的應(yīng)力安全儲(chǔ)備相比其他位置較小，在標(biāo)準(zhǔn)一下安全儲(chǔ)備最小值為1.96，總體來(lái)說(shuō)橋梁結(jié)構(gòu)在最大懸臂階段較為安全。

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基金項(xiàng)目：陜西省交通運(yùn)輸廳2021年度交通科研項(xiàng)目“基于全壽命周期的高墩大跨寬幅連續(xù)梁拱組合體系橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：21-63K）

作者簡(jiǎn)介：劉小光（1975—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：大跨組合體系橋梁施工關(guān)鍵技術(shù)。