大跨度橋梁施工力學(xué)理論及其應(yīng)用

史曉龍

(鄭州市水利建筑工程局 鄭州 450000)

付永春

(云南水投牛欄江滇池補(bǔ)水工程有限公司 昆明 650051)

在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，回顧橋梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的歷史，從小跨度、形式簡(jiǎn)單的橋梁結(jié)構(gòu)，到現(xiàn)在的大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新式橋梁，都體現(xiàn)了科技的不斷進(jìn)步。伴隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷發(fā)展，以及關(guān)于橋梁方面作用荷載研究的不斷深入，人們更加關(guān)注橋梁力學(xué)問(wèn)題的研究。同時(shí)，這一系列的問(wèn)題也推動(dòng)了我國(guó)橋梁力學(xué)的發(fā)展［1］。同樣，橋梁力學(xué)的研究成果也使得橋梁設(shè)計(jì)施工和橋梁管理水平有了相應(yīng)的提高。在技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，橋梁建設(shè)的發(fā)展與力學(xué)研究的發(fā)展同樣表現(xiàn)出了相輔相成的態(tài)勢(shì)，二者互相促進(jìn)，相互影響。當(dāng)然，一系列的橋梁倒塌事故等也告訴人們，理論要和實(shí)際密切結(jié)合，切不可理論脫離實(shí)際。力學(xué)原理在橋梁施工及施工監(jiān)理的過(guò)程中同樣非常重要［2］。

1 工程概況

大跨度橋梁工程是我國(guó)目前比較常用的一種橋型，一般采用的是分階段懸臂澆筑的建造方法。在施工的時(shí)候，從開(kāi)工一直到完工建成，荷載工況在不斷變化，其結(jié)構(gòu)也經(jīng)過(guò)了多次體系的轉(zhuǎn)換。在不斷的變化過(guò)程中，其內(nèi)力和變形情況也在不斷的變化。因此，施工時(shí)候的具體工作狀況直接關(guān)系到橋梁的線性和內(nèi)力的狀態(tài)［3］。由此可知，對(duì)大跨度橋梁工程的力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，對(duì)于更好地進(jìn)行橋梁建設(shè)有著重要意義。本文以貴州省境內(nèi)滬瑞高速公路的大橋主橋?yàn)槔治銎淞W(xué)情況。該大橋的橋身主要是三向預(yù)應(yīng)力混凝土高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋，主梁選取的是變截面單箱單室截面，主墩采用的是雙薄壁結(jié)構(gòu)。具體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 滬瑞高速公路大橋立面圖 單位:m

2 大跨度橋梁施工的力學(xué)理論分析

對(duì)于橋梁施工的力學(xué)分析，一般都是在圖紙上完成的，在施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行受力分析。在現(xiàn)階段，橋梁在設(shè)計(jì)建造的時(shí)候在逐漸地加大，規(guī)模和投資都在擴(kuò)大，其建造過(guò)程中也難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)等的變化。因此對(duì)于橋梁施工階段的結(jié)構(gòu)分析，有一定的研究意義。

2.1 關(guān)于主梁恒載力的力學(xué)分析

現(xiàn)階段，一些大跨度的橋梁，均為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土超靜定橋梁，比如:常見(jiàn)的有簡(jiǎn)支變連續(xù)橋、懸臂施工的連續(xù)梁橋、連續(xù)鋼構(gòu)橋、斜拉橋等。在具體的施工過(guò)程中，都是分階段進(jìn)行的。因此，對(duì)于橋梁的自重，在不同階段分別加進(jìn)去計(jì)算，并非一步到位。由此可知，在計(jì)算橋梁恒載的時(shí)候，也需要分階段計(jì)算［4］。將各個(gè)階段的內(nèi)力進(jìn)行疊加之后，形成橋梁最終的成橋之后的能力狀態(tài)。對(duì)于本文所選實(shí)例，采用平面桿系有限元程序，把主梁離散為152個(gè)單元，把其施工過(guò)程劃分為具體的105個(gè)施工階段，包括樁基、承臺(tái)、墩身的施工等。施工階段主梁累積彎矩和一次成橋的彎矩是有明顯的差異性的(圖2)。對(duì)于邊墩側(cè)墩身根部的主梁負(fù)彎矩，其數(shù)值是一次成橋彎矩的兩倍多。眾多數(shù)據(jù)表明，一次成橋的成橋內(nèi)力和施工階段所產(chǎn)生的累積內(nèi)力差別是非常大的，在具體設(shè)計(jì)建造的時(shí)候要充分考慮到其結(jié)構(gòu)分析，考慮到施工過(guò)程中相應(yīng)的內(nèi)力變化和累積內(nèi)力所產(chǎn)生的影響。

圖2 施工階段累積彎矩和一次成橋彎矩差異性比較

2.2 撓度計(jì)算的疊加算法以及撓度和內(nèi)力力學(xué)關(guān)系分析

橋梁的撓度計(jì)算也是對(duì)不同階段所產(chǎn)生的撓度的疊加，其總值和一次性成橋所產(chǎn)生的撓度值也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規(guī)律截然不同。施工階段，其累計(jì)撓度能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)出橋梁建成以后最終的成橋線形。由此可知，橋梁的施工線形控制需要按照施工階段累積撓度為依據(jù)進(jìn)行［5］。對(duì)于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容易發(fā)生的是內(nèi)力和撓度不相吻合，也就是內(nèi)力等效的計(jì)算方式下算出來(lái)的撓度與實(shí)際的撓度不一樣，撓度不等效，在預(yù)計(jì)誤差范圍外。現(xiàn)階段，對(duì)于大跨徑的橋梁線形控制，已逐步發(fā)展成為施工控制過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。在橋梁施工過(guò)程中，關(guān)于其計(jì)算圖示、計(jì)算方法等，都要考慮其實(shí)際內(nèi)力情況，而且要使得撓度計(jì)算合乎要求。

2.3 關(guān)于混凝土的時(shí)變效應(yīng)力學(xué)原理分析

大跨徑橋梁在完成橋梁懸臂掛籃澆注施工時(shí)，混凝土的加載周期一般是在三天至五天范圍內(nèi)，徐變對(duì)橋梁撓度產(chǎn)生的影響是很大的，必須進(jìn)行分析并采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?duì)于公路橋梁的預(yù)應(yīng)力規(guī)范，有相關(guān)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，“預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件當(dāng)需要計(jì)算其施工階段的變形情況時(shí)，應(yīng)該按照構(gòu)件自重與預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的初始彈性變形乘以相關(guān)系數(shù)后得出?！睒?biāo)準(zhǔn)里面的一些影響因素，比如:材料的組成、結(jié)構(gòu)截面的形狀、外界環(huán)境的條件等，都要考慮在內(nèi)。并且根據(jù)實(shí)際情況，把前期徐變系數(shù)較大，而后期徐變系數(shù)較小等因素均考慮在內(nèi)，因此，規(guī)范計(jì)算相對(duì)比較可靠［6］。

2.4 有效預(yù)應(yīng)力作用力學(xué)計(jì)算分析

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力的大小受到預(yù)加力值和預(yù)應(yīng)力筋的形狀兩個(gè)因素的影響。一般情況下，預(yù)加力值包括對(duì)構(gòu)件截面本身具有靜定的作用，對(duì)一些多余的約束有超靜定的作用。在分階段施工的橋梁建筑過(guò)程中，常用到的方法包括外力作用法，等效荷載法以及組合截面法?，F(xiàn)階段，對(duì)于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算方法的選取，都是在原有的對(duì)于小型橋梁建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而大跨度的橋梁建設(shè)，預(yù)應(yīng)力損失很大，其實(shí)際結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差較大。這里面，引起預(yù)應(yīng)力損失的原因是多方面綜合影響的結(jié)果。在施工時(shí)候的日溫差對(duì)于預(yù)應(yīng)力的損傷有影響，對(duì)于施工的精度和施工的最終質(zhì)量都是有直接影響的。到目前為止，依然存在的問(wèn)題包括箱梁的早期出現(xiàn)裂縫，日溫差對(duì)于長(zhǎng)懸臂撓度的影響巨大，混凝土的材料質(zhì)量以及混合程度等也是影響因素。

對(duì)于日溫差效應(yīng)的計(jì)算，需要首先明確溫度在橋梁中的具體分布。一般情況下，沿著橋梁縱向方向，溫度的變化是很小的，為一個(gè)恒定值。在考慮到多個(gè)方面的效果之后，其溫度梯度為豎向溫度梯度。該溫度梯度產(chǎn)生一個(gè)次應(yīng)力，是引發(fā)混凝土橋梁發(fā)生裂縫危害的主要原因。有時(shí)候箱梁水化熱，不引起早期裂縫，其發(fā)生是在混凝土澆注的早期，而后散去，對(duì)工程影響較小。然而，現(xiàn)在的連續(xù)鋼構(gòu)橋箱梁早期裂縫已經(jīng)是一個(gè)普遍現(xiàn)象，對(duì)混凝土早期應(yīng)力的分析預(yù)防變得很有必要。

隨著科技的進(jìn)步，橋梁建設(shè)走過(guò)了不同的歷程，隨著新材料新技術(shù)的進(jìn)步，大跨度橋梁建設(shè)也在不斷發(fā)展。橋梁力學(xué)的不斷發(fā)展和完善，也使得橋梁建設(shè)在逐漸完善。對(duì)于大跨度橋梁建設(shè)，在設(shè)計(jì)、施工甚至管理方面的進(jìn)步，是提高大跨度橋梁整建設(shè)質(zhì)量的主要保障。研究大跨度橋梁施工方面的力學(xué)理論，對(duì)于大跨度橋梁更好的建設(shè)，具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

大跨度橋梁施工目前應(yīng)用廣泛。對(duì)于大跨度橋梁工程的質(zhì)量把握，關(guān)系到人們的生命安全，關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展。分析其具體的力學(xué)理論，對(duì)于更好地進(jìn)行大跨度橋梁施工建設(shè)有著十分重要意義。本文從多個(gè)方面分析了大跨度橋梁施工中的力學(xué)原理，并且給出了一些簡(jiǎn)要的解決措施。通過(guò)本文的研究，能夠?qū)υ摲矫娴膯?wèn)題給予一些指導(dǎo)。相信在不斷的發(fā)展過(guò)程中，關(guān)于該方面的問(wèn)題會(huì)處理得越來(lái)越好，關(guān)于大跨度橋梁施工質(zhì)量也會(huì)更加完善?！?/p>

1 潘多忠.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析及應(yīng)用研究［D］.華南理工大學(xué)，2011.

2 李喬，單德山，卜一之，等.大跨度橋梁施工控制倒拆分析法的閉合條件［C］∥第十七屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè)).2006.

3 張強(qiáng).大跨度橋梁施工控制［J］.甘肅科技，2012(09):30-31.

4 劉明志.大跨度連續(xù)梁橋施工監(jiān)控及剪力滯效應(yīng)研究［D］.湖南大學(xué)，2010.

5 宋士新.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制關(guān)鍵問(wèn)題分析與研究［D］.華南理工大學(xué)，2012.

6 鄭平偉，鐘繼衛(wèi)，汪正興.大跨度橋梁的施工控制［J］.橋梁建設(shè)，2009(10):20-21.