大跨度V型剛構(gòu)懸臂施工中的中跨合龍因素分析

陳大柱 ，邱建軍 ，董書(shū)鳴

（1.寧波鄞州區(qū)交通運(yùn)輸局，浙江寧波 315200；2.寧波鄞州區(qū)交通質(zhì)監(jiān)站，浙江寧波 315200；3.合樂(lè)中國(guó)有限公司，上海市 200051）

1 工程概況

奉化江南翔橋是寧波市機(jī)場(chǎng)路南沿工程中跨越奉化江的特大橋梁，為雙幅三跨連續(xù) V 墩混凝土剛構(gòu)橋，跨徑組合為 80 m+130 m+80 m=290 m，單幅橋面寬 23.5 m，其總體布置立面見(jiàn)圖1。

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，C50 混凝土，單箱雙室直腹板斷面。箱梁梁高變化采用二次拋物線(xiàn)，H 跟/L=1/21.7，H中/L=1/43.3。梁段腹板厚度 40～85 cm 直線(xiàn)變化；底板厚度變化采用 2 次拋物線(xiàn)，由箱梁根部 80 cm 漸變到跨中 30 cm；頂板厚均采用 28 cm。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，底板保持水平，頂板橫向設(shè)置 2%的橫坡。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，即縱向、橫向、豎向均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束（筋）。

V 墩斜腿截面采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，高度 2.0～2.4 m，箱體頂、底板厚度均為 50 cm，腹板厚度分別為 80～120 cm。兩斜腿內(nèi)中間設(shè)隔板，V 撐斜腿頂、底部各設(shè)一定長(zhǎng)度的實(shí)體過(guò)渡段，以連接箱梁和 V 撐臺(tái)座。為了提高 V 墩的耐久性和改善應(yīng)力狀態(tài)，沿 V 墩兩斜肢截面頂?shù)装逯行牟贾妙A(yù)應(yīng)力鋼束，錨固端埋入承臺(tái)頂以下 3.5 m，在墩梁結(jié)合位置單端張拉。

該橋 V 腿及其頂部 0#塊采用支架施工，主梁采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工，邊跨現(xiàn)澆段采用支架施工。在每副主橋中跨設(shè)有一合龍段，其縱向長(zhǎng)度為3.0 m，重約 125 t，采用早強(qiáng)微膨脹 C50 混凝土。由于中跨合龍段位于奉化江中間，故采用吊架結(jié)構(gòu)施工，即利用合龍段一端箱梁 13#塊掛籃，行走到另一端 13#塊，形成合龍段吊架；兩側(cè)吊架均采用Φ32 精軋螺紋鋼錨固在箱梁 13#塊上。由于該合龍段距離河岸線(xiàn)很遠(yuǎn)，無(wú)法采用汽車(chē)泵搖臂車(chē)澆筑，故采用固定泵停在棧橋上，泵管接到合龍段位置，澆筑合龍段混凝土。

該橋中跨跨度大，中跨合龍段縱向長(zhǎng)度長(zhǎng)，施工難度大。為保證合龍段施工質(zhì)量及橋梁安全，指導(dǎo)合龍段施工的順利進(jìn)行，本文對(duì)該橋中跨合龍的主要影響因素進(jìn)行了定量分析，可為同類(lèi)型橋梁施工作有價(jià)值的參考。

2 分析模型

采用橋梁專(zhuān)業(yè)分析軟件 Midas 建立了本橋的有限元分析模型，對(duì)橋梁 V 型墩及上部箱梁結(jié)構(gòu)采用變截面梁?jiǎn)卧?，以?zhǔn)確模擬箱梁截面形狀的變化。每個(gè)截面均按設(shè)計(jì)實(shí)際截面進(jìn)行?？傮w有限元模型共有 147 個(gè)節(jié)點(diǎn)及 140 個(gè)梁?jiǎn)卧?。預(yù)應(yīng)力鋼束完全根據(jù)實(shí)際位置輸入。該橋的整體有限元模型見(jiàn)圖2，箱梁典型截面見(jiàn)圖3。

在本橋的結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)橋梁的詳細(xì)施工過(guò)程及階段進(jìn)行了細(xì)致的模擬，正確分析橋梁的整個(gè)施工過(guò)程的施工荷載和混凝土收縮徐變對(duì)橋梁受力的影響。

3 影響因素及分析

在該橋中跨合龍施工過(guò)程中，合龍段兩端的預(yù)加頂推力、撓度差及橋體溫度變化引起的漲縮均可對(duì)合龍段的施工產(chǎn)生影響。

3.1 頂推力

圖1 南翔橋連續(xù) V 墩剛構(gòu)總體布置立面圖（單位：mm）

圖2 V 型墩連續(xù)剛構(gòu)橋整體有限元模型圖

圖3 典型箱梁截面示意圖

為改善成橋的受力狀態(tài)，在中跨合龍前，需要對(duì)合龍段兩端的箱梁懸臂端頭施加一定的水平向頂推措施[1][2]。合理的頂推力是在合龍成橋之后，考慮收縮、徐變的時(shí)間效應(yīng)后橋梁在各種作用組合下處于最優(yōu)的應(yīng)力狀態(tài)。

假設(shè)頂推力分別為 4 500 kN、6 000 kN 及設(shè)計(jì)頂推力 7 500 kN 等三種不同頂推力作用下，分析橋梁成橋前后的受力狀態(tài)變化。表1、表2為邊跨側(cè) V 腿底截面外緣與內(nèi)緣在不同頂推力作用下的應(yīng)力比較。表中，應(yīng)力單位為 MPa，P1 表示頂推力 F2=6 000 kN 與 F1=4 500 kN 的應(yīng)力差值百分比，P2 為頂推力 F3=7 500 kN 與 F1=4 500 kN 時(shí)的應(yīng)力差值百分比。

分析結(jié)果表明，頂推力的增大，總體上對(duì)該橋V 墩底截面應(yīng)力影響較小。其中，V 墩底截面外緣壓應(yīng)力有所增加，以頂推力 4 500 kN 為基準(zhǔn)，頂推力增加 1 500 kN，在施加頂推力時(shí)增幅為 7%，成橋恒載下增幅為 10%，短期組合的最小壓應(yīng)力增幅為 35%，而最大壓應(yīng)力增幅僅為 6%。截面內(nèi)緣壓應(yīng)力有所減小，因其數(shù)值較小，因此降幅略顯增大，每增加 1 500 kN 頂推力，在施加頂推力時(shí)降幅為 18%，在成橋恒載下降幅為 6%，短期組合下的最小壓應(yīng)力的降幅為 11%，最大壓應(yīng)力降幅僅為5%。

表1 不同頂推力下 V 腿底截面外緣應(yīng)力比較

表2 不同頂推力下 V 腿底截面內(nèi)緣應(yīng)力比較

中跨合龍段自身在合龍后的上緣及下緣壓應(yīng)力隨不同頂推力也略有不同，上緣應(yīng)力隨頂推力的增加而稍有減小，下緣應(yīng)力則稍有增大，但數(shù)值微小，對(duì)合龍段本身的應(yīng)力影響可以忽略[4]。

中跨合龍段懸臂梁端在頂推力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的水平和豎向位移。表3列出了不同頂推力下箱梁懸臂端及 V 墩頂?shù)目v向位移。懸臂梁端的縱向位移，在 F1=4 500 kN 時(shí)為 13.0 mm，在F2=6 000 kN 時(shí)為 17.3 mm，在 F3=7 500 kN 時(shí)為21.7 mm。V 墩頂箱梁的縱向位移稍小于懸臂梁端。

表3 不同頂推力下的橋梁位移（

從表3中還可以看出，頂推力對(duì)懸臂梁端的豎向位移 DV 產(chǎn)生較大影響，而對(duì) V 墩頂箱梁的縱向位移 DL影響較小。

綜合以上分析結(jié)果，頂推力的大小對(duì)該橋結(jié)構(gòu)受力總體影響較小，對(duì)合龍段混凝土自身應(yīng)力影響可以忽略，但懸臂梁端的縱向及豎向位移較大。因此，施工單位在合龍段施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂推裝置的安裝條件要求、應(yīng)力/位移變化及橋梁線(xiàn)型等實(shí)際要求確定合理的頂推力并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 懸臂梁段的高差

在中跨合龍前，合龍段兩側(cè)懸臂端高程高差是合龍施工的一個(gè)控制因素。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，合龍段兩端的施工高程誤差需控制在 10 mm 以?xún)?nèi)，軸線(xiàn)位置偏差在 10 mm 以?xún)?nèi)，如高差大于 10 mm，需采用掛籃提吊或者單端壓重等措施[3]來(lái)平衡兩端的標(biāo)高誤差；并進(jìn)一步提出其最理想的施工狀態(tài)是：在合龍段施工前預(yù)應(yīng)力張拉壓漿完成，一側(cè)掛籃底盤(pán)（重 35 t，全部掛籃重量按 71 t 計(jì)）拆除后，兩側(cè)懸臂端頭高程的高差控制在 10 mm 以?xún)?nèi)。

按上所述，一側(cè)掛籃底盤(pán)拆除后，兩側(cè)梁端豎向受力差值為 350 kN。計(jì)算結(jié)果表明，此時(shí)兩側(cè)懸臂梁端高程高差約為 12 mm，已經(jīng)超過(guò)高程高差控制在 10 mm 以?xún)?nèi)的要求。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案設(shè)計(jì)，在兩側(cè)箱梁施工完畢后，一側(cè)掛籃底盤(pán)拆除，另一側(cè)掛籃前移并將前吊帶吊著底模平臺(tái)走進(jìn)對(duì)面箱梁翼板預(yù)留槽中，前后吊帶下部固定在兩端箱梁底板上，施加頂推力，綁扎鋼筋后澆筑中跨合龍段混凝土。

假設(shè)施工期間的施工荷載和合龍現(xiàn)澆混凝土均由兩側(cè)懸臂底板均勻承受。表4的計(jì)算結(jié)果按下述四種假設(shè)進(jìn)行：（1）在懸臂梁澆筑完畢后，一側(cè)掛籃前移，另一側(cè)掛籃完全拆除；（2）在懸臂梁澆筑完畢后，一側(cè)掛籃前移，另一側(cè)掛籃底盤(pán)拆除后沿橋縱向后移一個(gè)箱梁節(jié)段；（3）在懸臂梁澆筑完畢后，一側(cè)掛籃前移，另一側(cè)掛籃底盤(pán)拆除，但橋面掛籃骨架不后移；（4）在懸臂梁澆筑完畢后，一側(cè)掛籃底盤(pán)拆除后沿橋縱向后移一個(gè)箱梁節(jié)段，另一側(cè)掛籃前移并采取措施使得其底盤(pán)重量由合龍段兩端端頭均勻承擔(dān)。

表4 各種假設(shè)施工方案下的合龍段兩端高差

從表4可以看出，方案 1、2、3 下的合龍段兩端的高程高差均超過(guò)了 10 mm，特別是方案 1，更是達(dá)到了 24 mm；而方案 4 的高差則大大減小。這是因?yàn)榍?3 方案合龍段兩端的豎向力相差過(guò)大，而在方案 4 中，由于拆除底盤(pán)一側(cè)的掛籃沒(méi)有移走，僅后移一個(gè)箱梁階段，且采取措施使得前移掛籃底盤(pán)的重量由懸臂兩端共同承擔(dān)，這一措施大大減小了兩端懸臂梁端承擔(dān)的豎向力差值，因此其高程高差也就大大減小。

因此，合龍段兩端端頭的高差控制與其兩端所承受的豎向力差值密切相關(guān)。控制合龍段兩端端頭高差，就必須減小兩端所承擔(dān)的豎向力差值。按施工要求，合龍段兩端承擔(dān)的豎向力差值小于292 kN 時(shí)，其兩端高程高差滿(mǎn)足小于 10 mm 的要求。目前所采取的拆除一側(cè)掛籃的施工方案不可取，可參考方案 4，并采取必要措施使施工荷載及合龍段混凝土重量能夠均勻分配到兩側(cè)箱梁上。

3.3 溫度影響

現(xiàn)場(chǎng)溫度變化也對(duì)合龍段施工產(chǎn)生一定影響，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)引起合龍段兩側(cè)懸臂梁端產(chǎn)生縱向及豎向移動(dòng)，從而對(duì)合龍段頂推裝置及混凝土澆筑產(chǎn)生影響。因此，在中跨合龍段鎖定前，應(yīng)對(duì)懸臂斷面進(jìn)行一晝夜分時(shí)段連續(xù)觀(guān)測(cè)，掌握氣溫與懸臂端的標(biāo)高變化、氣溫與梁體溫度的關(guān)系等，為選擇合龍鎖定方式作力學(xué)驗(yàn)算，并為合龍鎖定時(shí)間提供依據(jù)。

表5給出了該橋在合龍前整體溫差± 10℃的條件下合龍段懸臂端頭的縱向/豎向位移值?？梢?jiàn)，溫差變化± 10℃的情況下，中跨合龍段兩端端頭的縱向位移約為 6.2 mm，左右兩端位移相等，方向相反。

表5 合龍前梁端的溫差位移（單位：mm）

因此，在中跨合龍段施工時(shí)要認(rèn)真考慮溫度變化對(duì)橋梁合龍的影響，盡量選擇氣溫較低，變化幅度最小的時(shí)區(qū)進(jìn)行合龍段混凝土澆注，建議可安排在溫度變化較小的夜間時(shí)段進(jìn)行澆注，有利于減小箱梁合龍?zhí)帒冶鄱祟^的縱向位移對(duì)合龍段新澆混凝土的影響。在澆注完畢后應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)生，采用 C50 早強(qiáng)微膨脹混凝土，通過(guò)試驗(yàn)摻入適量的微膨脹劑，微膨脹劑必須滿(mǎn)足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50119-2003)要求，并嚴(yán)格控制用水量，以減少混凝土的收縮影響。

4 結(jié)論及建議

本文對(duì)奉化江南翔 V 型墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段施工的影響因素進(jìn)行了細(xì)致的分析，并對(duì)該橋合龍段施工給出了相應(yīng)的建議。

分析結(jié)果表明，頂推力的大小對(duì)該橋的受力總體影響很小，無(wú)論是 V 墩斜腿還是合龍段自身，但主梁產(chǎn)生的縱向及豎向位移較大。應(yīng)根據(jù)主梁位移及施工條件合理確定及調(diào)整預(yù)加頂推力。

合龍段兩端箱梁端頭的高差與其兩端所承受的豎向力差值密切相關(guān)?？刂坪淆埗蝺啥硕祟^高差，就必須減小兩端所承擔(dān)的豎向力差值。采取必要措施，如合理的壓重平衡，或合龍段混凝土自重合理分配在兩端，均對(duì)減小高差有幫助。

溫度變化對(duì)懸臂梁端的縱向位移也有影響，應(yīng)在施工中認(rèn)真考慮溫度引起的主梁縱向位移對(duì)合龍段施工的影響，盡量選擇溫度變化小的時(shí)間段進(jìn)行施工，并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施。

[1] 吳斌.淺析特大橋中跨合龍段施工 [J].山西建筑,2011,37(14):165-166.

[2] 劉小林.淺談連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段施工[J].山西建筑,2008,34(24):311-312.

[3] 張新志,張永水,等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段配重方法探討[J].施工技術(shù),2008,37(2):90-92.

[4] 合樂(lè)咨詢(xún)（深圳）有限公司,等.寧波市機(jī)場(chǎng)路南延南翔橋大跨度 V 型墩連續(xù)剛構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)研究之實(shí)測(cè)/理論數(shù)據(jù)分析及橋梁狀態(tài)評(píng)價(jià)[R].2013.