不同邊跨合龍方式對連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的影響分析

蔡建偉， 王發(fā)正

(1.云南武倘尋高速公路有限責(zé)任公司， 昆明 650001； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

連續(xù)剛構(gòu)梁橋以其跨越能力較強、造價低廉、適應(yīng)性高和維護方便等特點，在我國被廣泛應(yīng)用。連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工多采用懸臂澆筑法，這涉及到大橋合龍方式的選擇。合龍是一個結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的過程，不同的合龍方式、不同的合龍順序、不同的合龍工法都會影響橋梁施工過程和成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力的變化。建設(shè)在深谷地帶的連續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩高度一般較高，邊跨合龍時，由于高墩的原因，現(xiàn)澆段支架搭設(shè)不易或搭設(shè)經(jīng)費太高，當(dāng)現(xiàn)澆段較長，利用托架施工現(xiàn)澆段又比較危險，因此，一般采用導(dǎo)梁法進行施工。合理選擇適應(yīng)橋梁位置處的合龍方式不僅能使橋梁結(jié)構(gòu)順利合龍，還能使施工更加安全、方便。由于不同的合龍方式會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不同的影響，因此在選擇合龍方式時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)施工過程中和成橋后的受力狀態(tài)進行分析。

周軍生等[1]建議連續(xù)體系梁橋邊主跨比在0.54～0.56之間或稍大時，可取消落地支架，采用導(dǎo)梁法合龍。張銘[2]、屈博[3]、陳欣[4]對吊架合龍與其他合龍方式進行了優(yōu)劣分析。楊陽[5]、張文格[6]、陳榮剛[7]、包儀軍[8]、王虎盛等[9]從合龍順序的角度對橋梁結(jié)構(gòu)受力進行了數(shù)值分析。周鑫[10]在合龍前后改變預(yù)應(yīng)力束的張拉順序優(yōu)化了橋梁結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)部應(yīng)力分布。黃鵬宇[11]提出了邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段同時澆筑一次成型的特殊合龍方式。邊進軍[12]認為合龍前應(yīng)減小兩側(cè)懸臂端配重以減小合龍前后兩側(cè)懸臂端的不平衡受力。劉永強[13]、沈瑋[14]認為合龍時施加頂推力可以改善墩身受力，改變墩頂位移。查閱已有文獻，關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋采用導(dǎo)梁方式施工邊跨現(xiàn)澆段和合龍段的詳細研究資料還較少。本文以1座連續(xù)剛構(gòu)橋為對象，對比分析采用托架法邊跨合龍和采用導(dǎo)梁法邊跨合龍對橋梁內(nèi)力、線形的影響。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程背景

某大橋位于高速公路一標(biāo)段，全橋分2幅，橋?qū)?6.5 m，全長804 m，橋梁主橋立面如圖1所示。主橋為連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為(73+130+73)m，主橋總長為276 m。箱梁頂寬16.5 m，底寬8.5 m，箱梁為單箱單室斷面。全橋節(jié)段劃分如圖2所示，其中16#塊為合龍段，17#塊為邊跨現(xiàn)澆段。西岸邊跨采用托架法合龍，東岸邊跨采用導(dǎo)梁法合龍。

單位：cm

單位：cm

1.2 有限元模型

本文采用Midas/Civil進行計算分析，全橋共219個節(jié)點和215個單元，共計57個施工階段，有限元模型如圖3所示。

圖3 大橋有限元模型

2 合龍方式及過程

2.1 托架合龍

西岸邊跨現(xiàn)澆段處橋墩較低，地勢相較平坦，土質(zhì)情況良好，采用托架法進行現(xiàn)澆段施工，掛籃澆筑邊跨合龍段。過渡墩墩身及蓋梁設(shè)置型鋼托架，托架上布置分配梁。預(yù)壓后拼裝模板、制安鋼筋、定位波紋管等完成后采用泵送的方式進行澆筑。施工布置如圖4所示。

2.2 導(dǎo)梁合龍

東岸跨現(xiàn)澆段長6.89 m，梁體高度為2.6 m，混凝土方量140 m3，梁段重364 t，長且重?，F(xiàn)澆段處橋墩較高，地勢陡峭，采用導(dǎo)梁法進行現(xiàn)澆段和合龍段的澆筑施工。在下橫梁上(縱梁間隙)縱向鋪設(shè)工字鋼，縱向工字鋼另一端搭在臺帽上直線段澆筑完成后，再進行合龍。施工布置如圖5所示。

2.3 合龍過程

根據(jù)兩岸合龍方式的不同，全橋合龍過程的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6～圖10所示。

圖4 托架合龍布置示意

圖5 導(dǎo)梁合龍布置示意

1) 搭設(shè)托架和導(dǎo)梁，配重1為導(dǎo)梁平衡重30 t。

2) 西岸托架現(xiàn)澆直線段，東岸導(dǎo)梁現(xiàn)澆直線段，配重2為導(dǎo)梁和澆筑直線段平衡重210 t。

圖6 搭設(shè)托架及導(dǎo)梁

圖7 現(xiàn)澆直線段

圖8 現(xiàn)澆邊跨合龍段

圖9 現(xiàn)澆中跨合龍段

圖10 成橋狀態(tài)

3) 兩岸現(xiàn)澆邊跨合龍段，配重3為導(dǎo)梁、直線段和澆筑邊跨合龍段平衡重240 t，配重4為澆筑邊跨合龍段平衡重30 t。

4) 跨中現(xiàn)澆中跨合龍段，配重5為澆筑中跨合龍段平衡重30 t。

5) 成橋狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

連續(xù)剛構(gòu)橋成橋狀態(tài)內(nèi)力分別由各個施工階段的內(nèi)力線性疊加而成，懸臂階段由自重、預(yù)應(yīng)力和收縮徐變等產(chǎn)生內(nèi)力；體系轉(zhuǎn)換后，由預(yù)應(yīng)力、拆除掛籃等外力產(chǎn)生內(nèi)力；由合龍預(yù)應(yīng)力、拆除合龍吊籃等外力產(chǎn)生次內(nèi)力[11]。不同的合龍方式產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，由此疊加而成的成橋后的受力狀態(tài)也不盡相同。利用有限元軟件對橋梁施工階段進行仿真分析，計算出各個施工階段和成橋狀態(tài)的內(nèi)力分布及位移變化。下面就采用托架合龍的8#墩懸臂梁結(jié)構(gòu)與采用導(dǎo)梁合龍的9#墩懸臂梁結(jié)構(gòu)進行對比分析，以研究不同合龍方法下對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 邊跨合龍

邊跨合龍前結(jié)構(gòu)位移對比如圖11所示，箱梁應(yīng)力對比如圖12、圖13所示。

由圖11可知，邊跨合龍前(邊跨現(xiàn)澆直線段施工完畢)，2種合龍方式位移差值較大。使用導(dǎo)梁法施工的東岸整體線形低于使用托架法施工的西岸。無論是中跨還是邊跨，2種合龍方式下1#節(jié)段到15#節(jié)段的豎向位移差值從小到大依次增加，其中懸臂末端15#塊差值達到近6 cm。造成此結(jié)果的原因在于：邊跨合龍前，西岸側(cè)邊墩承受邊跨現(xiàn)澆直線段重量；8#墩懸臂梁邊跨末端壓重僅為梁端掛籃，懸臂末端承受豎向壓力較小，撓度較小。東岸側(cè)導(dǎo)梁與9#墩懸臂梁邊跨末端15#塊相接，由邊墩與單T結(jié)構(gòu)共同承受現(xiàn)澆直線段的重量，加之兩側(cè)掛籃壓重，懸臂末端承受豎向壓力較大，撓度偏大。

圖11 邊跨合龍前懸臂梁線形

圖12 邊跨合龍前懸臂梁上緣應(yīng)力

圖13 邊跨合龍前懸臂梁下緣應(yīng)力

由圖12、圖13可知，邊跨合龍前，2種合龍方式應(yīng)力差值較大。使用導(dǎo)梁法施工的東岸上緣整體壓應(yīng)力低于使用托架法施工的西岸，其中邊跨10#塊差值最大達到2.1 MPa，而下緣應(yīng)力則剛好相反，其中邊跨12#塊差值最大達到3.7 MPa。造成二者差距的原因是：邊跨合龍前，東岸懸臂末端承受豎向壓力大于西岸，在更大的豎向力作用下，并在懸臂梁上產(chǎn)生一個附加的負彎矩，從而造成東岸節(jié)段各截面上緣壓應(yīng)力偏小，而下緣壓應(yīng)力偏大。

3.2 中跨合龍

中跨合龍前結(jié)構(gòu)線形對比如圖14所示，箱梁應(yīng)力對比如圖15、圖16所示。

圖14 中跨合龍前主梁線形

圖15 中跨合龍前主梁上緣應(yīng)力

圖16 中跨合龍前主梁下緣應(yīng)力

由圖14可知，中跨合龍前，兩岸懸臂梁中跨豎向位移差值較小，而邊跨差值較大。中跨最大差值為1.3 cm，邊跨最大差值達5.9 cm，其中邊跨線形與邊跨合龍前線形相似。有此結(jié)果的原因在于:東岸采用導(dǎo)梁法施工承受了較大豎向壓力，邊跨合龍時附加應(yīng)力明顯大于使用托架法施工的西岸；邊跨合龍后，結(jié)構(gòu)體系變換，由預(yù)應(yīng)力束、拆除掛籃等外力在本跨產(chǎn)生的內(nèi)力加劇了二者的差距。而中跨部分結(jié)構(gòu)體系并未轉(zhuǎn)換，影響較小，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力不大，因而位移差值并不大。

由圖15、圖16可知，中跨合龍前，2種合龍方式應(yīng)力差值在邊跨較大，其中上緣應(yīng)力最大差值為1.5 MPa，下緣應(yīng)力最大差值為3.0 MPa；2種合龍方式在中跨的應(yīng)力基本相當(dāng)，應(yīng)力相近。有此結(jié)果的主要原因是：邊跨合龍前，使用導(dǎo)梁法施工的東岸邊跨由于導(dǎo)梁搭設(shè)于懸臂末端，承受更大的豎向壓力，合龍產(chǎn)生的附加應(yīng)力大于使用托架法施工的西岸邊跨。附加應(yīng)力的不同導(dǎo)致二者受力狀態(tài)的不同，進而反映出位移及應(yīng)力的不同。

3.3 成橋狀態(tài)

成橋后結(jié)構(gòu)線形對比如圖17所示，箱梁應(yīng)力對比如圖18、圖19所示。

由圖17可知，成橋狀態(tài)下，中跨部分二者位移相差不大，而邊跨部分差值略大。中跨最大差值為1.3 cm，邊跨最大差值達5.9 cm。邊、中跨二者位移與中跨合龍拆除壓重后基本相同，說明成橋后由合龍束預(yù)應(yīng)力、拆除合龍掛籃等外力產(chǎn)生的次內(nèi)力較小，基本可以忽略。

圖17 成橋狀態(tài)主梁線形

圖18 成橋狀態(tài)主梁上緣應(yīng)力

圖19 成橋狀態(tài)主梁下緣應(yīng)力

由圖18、圖19可知，成橋狀態(tài)下，中跨部分二者應(yīng)力相差不大，而邊跨部分差值略大，其中邊跨下緣應(yīng)力最大差值達2.8 MPa。造成這些計算結(jié)果的原因與上相同，不再贅述。

4 結(jié)論

本文對采用2種不同邊跨合龍方式的1座連續(xù)剛構(gòu)橋進行了數(shù)值分析，并結(jié)合施工經(jīng)驗，得到如下主要結(jié)論：

1) 連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程、成橋后的線形和內(nèi)力與合龍方式有關(guān)。邊跨合龍方式的不同對橋梁結(jié)構(gòu)受力影響較大的是邊跨部分，采用導(dǎo)梁法施工的東岸，其施工過程和成橋后橋面平順性均不如采用托架法施工的西岸。這是由于采用導(dǎo)梁法施工的東岸在邊跨合龍前懸臂末端承受了更大的豎向壓力，致使邊跨合龍后邊跨部分承受了較大的附加內(nèi)力。因此，橋梁結(jié)構(gòu)合龍時，為保證結(jié)構(gòu)施工安全和結(jié)構(gòu)受力安全，應(yīng)優(yōu)先選用托架法，在搭設(shè)托架困難、工期和經(jīng)費緊張的情況下再考慮導(dǎo)梁法。

2) 在合龍前，若懸臂末端承受豎向壓力越大，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力越大。為此，合龍時，在保證施工安全的情況下，應(yīng)盡量減小合龍設(shè)備的自重，通過調(diào)節(jié)豎向壓力的方式來減小結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力。

3) 采用導(dǎo)梁法合龍，縮短了施工周期，節(jié)約了施工經(jīng)費，該法適用于搭設(shè)托架困難、施工周期緊張、施工經(jīng)費不充裕的工況。