某連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋成橋方案對比研究

趙建儒

(湖南金祥項目管理有限公司，湖南 長沙 410004)

連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋結(jié)合了連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋橋面連續(xù)、跨徑大、整體性好及施工簡便等優(yōu)點，可更好地適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌。蘇湘華等對大跨徑PC連續(xù)剛構(gòu)橋進行過程控制，使成橋后線形與理論線形相符，其裸梁頂面高程測點合格率達97%；王申等分析了懸臂澆筑施工法下橋梁由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為超靜定結(jié)構(gòu)的過程中主梁和臨時構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，通過模擬復(fù)雜的受力狀態(tài)保證橋梁施工中的穩(wěn)定性；滕樹元對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形進行控制，合龍段扣除橋面縱向坡度影響后的合龍誤差均在2.0 cm以內(nèi)，軸線誤差不超過1.5 cm；吳鋒等認為采用2個頂推力頂推時結(jié)構(gòu)形成3個獨立的框架結(jié)構(gòu)，具有較大的整體剛度，便于保持頂推過程中的穩(wěn)定性，雖然增大了頂推力，但減少了頂推次數(shù)。上述學(xué)者大多從施工技術(shù)、線形控制及施工方法等方面對組合橋進行研究，對組合橋合龍順序的分析未考慮體系轉(zhuǎn)換的影響。該文運用有限元軟件，綜合考慮合龍順序和體系轉(zhuǎn)換順序?qū)χ髁簯?yīng)力和變形的影響，研究連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋的成橋方案。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)組合橋梁全長390 m，跨徑布置為75 m+2×120 m+75 m，橋面寬23.5 m，車道設(shè)計為雙向四車道+2×3.5 m非機動車道+1.5 m中央防護欄+2×0.5 m左右防護欄，橋面鋪裝為瀝青路面，最高通行速度80 km/h，安全等級為公路-Ⅰ級。上部結(jié)構(gòu)主橋箱梁采用單箱單室變截面，墩頂處梁高6.8 m，跨中處梁高3.2 m，梁高按1.8次拋物線變化。箱梁橫截面采用單箱單室直腹板，頂板寬12 m，底板寬5.5 m，腹板厚90 cm，底板厚70 cm。下部結(jié)構(gòu)邊墩與主梁連接采用盆式支座，主墩與主梁采用固結(jié)形式，橋墩采用C40砼，樁基礎(chǔ)采用直徑1.5 m灌注樁，主要材料為C30砼。橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置(單位：m)

2 建立模型

運用有限元軟件 MIDAS/Civil建立橋梁數(shù)值模型，均采用梁單元進行模擬，主橋模型共包含312個節(jié)點、276個梁單元，其中主梁單元和主墩單元分別為204、72個(見圖2)。模型中邊墩與主梁連接采用滑動支座模擬，主墩與主梁固結(jié)連接采用剛性連接模擬，預(yù)應(yīng)力齒塊與0#塊的橫隔板均采用節(jié)點荷載形式載入模型。對橋梁結(jié)構(gòu)進行計算時不考慮橫坡和縱坡的影響，荷載作用主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載及砼收縮徐變的影響。

圖2 橋梁有限元模型

3 合龍方案分析

該橋施工過程為先合龍兩個邊跨合龍段和兩個中跨合龍段，然后進行較復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，最終成橋。經(jīng)過對橋梁所處地區(qū)施工條件的綜合分析，初步擬定4種合龍施工方案(見表1)。運用有限元軟件模擬該橋合龍前變形及應(yīng)力狀態(tài)，并對不同合龍方案下主梁應(yīng)力及位移與合龍前主梁應(yīng)力及位移的差值進行對比，確定最合理的合龍施工方案。

表1 4種合龍施工方案

3.1 主梁初始應(yīng)力及變形狀態(tài)

對合龍前橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形狀態(tài)進行模擬，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：橋梁合龍施工前主梁底面主要受壓應(yīng)力作用，其中主梁各邊跨和中跨跨中截面受到的壓應(yīng)力較大，兩邊跨最大壓應(yīng)力分別為-8.52、-8.36 MPa，兩中跨最大應(yīng)力分別為-9.18、-9.1 MPa。主梁豎向變形主要發(fā)生在邊跨和中跨跨中截面位置，邊跨最大豎向位移分別為-1.71、-1.63 cm，中跨最大豎向位移分別為-1.66、-1.68 cm。

3.2 不同合龍方案下應(yīng)力對比分析

分別計算不同合龍方案下主梁應(yīng)力，并與合龍前主梁初始應(yīng)力進行對比，得到不同合龍方案下主梁應(yīng)力變化曲線(見圖4)。

圖4 不同合龍方案下主梁應(yīng)力變化曲線

由圖4可知：采用不同合龍施工方案成橋后，除邊跨和中跨合龍段最大應(yīng)力有所增加外，主梁其他截面的應(yīng)力整體變化趨勢基本與初始應(yīng)力狀態(tài)一致。先邊跨后中跨、先中跨后邊跨、從左至右一次合龍、全橋一次性合龍方案下邊跨合龍段最大應(yīng)力分別增加-0.58、-0.62、-0.67和-0.73 MPa，中跨合龍段最大應(yīng)力分別增加-0.63、-0.65、-0.71和-0.74 MPa，4種合龍方案下主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力增幅相差不大，說明合龍方案對主梁應(yīng)力的影響較小，不足以作為最優(yōu)合龍方案選擇的判斷依據(jù)。

3.3 不同合龍方案下變形對比分析

分別計算不同合龍方案下主梁變形，并與合成橋前主梁初始位移進行對比，得到不同合龍方案下主梁位移變化曲線(見圖5)。

圖5 不同合龍方案下主梁位移變化曲線

由圖5可知：采用不同合龍施工方案成橋后，主梁位移相對初始位移狀態(tài)均不同程度增大，其中邊跨與中跨合龍段位移增長較明顯，其他主梁截面位移增長較小。先邊跨后中跨合龍方案下邊、中跨合龍段最大位移分別增加0.7和0.8 cm，先中跨后邊跨方案下邊、中跨合龍段最大位移分別增加0.9和1.1 cm，由左至右依次合龍方案下邊、中跨合龍段最大位移分別增加2.4和2.1 cm，全橋一次性合龍方案下邊、中跨合龍段最大位移分別增加1.4和1.8 cm。根據(jù)JTG T/F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，成橋時主梁合龍段的變形量應(yīng)控制在2 cm以內(nèi)。而由左至右合龍方案下邊、中跨合龍段位移增量均超過2 cm，無法滿足設(shè)計要求。采用先中跨后邊跨和全橋一次性合龍方案，雖然變形增量滿足規(guī)范要求，但邊跨和中跨合龍段的位移增量均大于先邊跨后中跨合龍方案，且先邊跨后中跨合龍方案下邊、中跨合龍段的位移增量相差較小，可有效控制橋梁整體線形。綜上，先邊跨后中跨的合龍順序較優(yōu)。

4 體系轉(zhuǎn)換分析

為進一步驗證先邊跨后中跨合龍方案的合理性和優(yōu)越性，結(jié)合對體系轉(zhuǎn)換順序的分析，針對以下兩種成橋方案的應(yīng)力及變形進行對比分析：方案一為邊跨對稱合龍→中跨對稱合龍→體系轉(zhuǎn)換；方案二為邊跨對稱合龍→體系轉(zhuǎn)換→中跨對稱合龍。

4.1 不同體系轉(zhuǎn)換順序下應(yīng)力對比分析

運用有限元軟件進行模擬計算，對不同成橋方案下主梁應(yīng)力變化進行對比，結(jié)果見圖6。

圖6 不同成橋方案下主梁應(yīng)力變化曲線

由圖6可知：除邊跨和中跨最大應(yīng)力有所不同外，兩種體系轉(zhuǎn)換順序下主梁應(yīng)力變化趨勢與主梁初始應(yīng)力變化趨勢基本一致。方案一下主梁邊跨和中跨合龍段最大應(yīng)力分別增加-1.47、-1.52 MPa，方案二下主梁邊跨和中跨合龍段最大應(yīng)力分別增加-2.75、-2.83 MPa，方案二下應(yīng)力增幅大于方案一。由于主梁邊跨和中跨跨中截面應(yīng)力過大不利于橋梁的線形控制，體系轉(zhuǎn)換順序采用方案一更有利于橋梁最終成橋穩(wěn)定性。

4.2 不同體系轉(zhuǎn)換順序下變形對比分析

運用有限元軟件進行模擬計算，對不同成橋方案下主梁位移變化進行對比，結(jié)果見圖7。

圖7 不同成橋方案下主梁位移變化曲線

由圖7可知：兩種體系轉(zhuǎn)換順序?qū)χ髁哼吙绾椭锌绾淆埗呜Q向位移的影響較大，對主梁其他截面豎向位移的影響較小。方案一下主梁邊跨和中跨合龍段最大位移分別增大-0.7、-1.1 cm，方案二下分別增大-4.3和-6.8 cm，方案二下位移增量遠大于方案一。成橋過程中邊、中跨合龍段位移增量過大，不僅不利于橋梁的線形控制，還會對橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力造成影響，方案一在控制主梁豎向變形方面優(yōu)于方案二。

綜上，先邊跨合龍、后中跨合龍、再體系轉(zhuǎn)換為較優(yōu)的成橋方案，在保證橋梁結(jié)構(gòu)受力均勻的同時，能有效控制橋梁線形。

5 結(jié)論

運用橋梁專業(yè)軟件建立分析模型，從橋梁合龍順序和體系轉(zhuǎn)換順序兩方面，對不同成橋方案下主梁應(yīng)力和變形變化進行比較，得到以下主要結(jié)論：不同合龍方案對主梁應(yīng)力影響不大，不能以此作為合龍方案優(yōu)劣的判斷依據(jù)；由左至右的合龍順序會導(dǎo)致邊、中跨合龍段位移增量超過2 cm，無法滿足設(shè)計要求；先中跨后邊跨與全橋一次性合龍施工方案下邊、中跨合龍段位移增量均大于先邊跨后中跨合龍方案，且先邊跨后中跨合龍方案下邊、中跨位移增量相差較小，有利于橋梁線形控制；采用先邊跨合龍、后中跨合龍、再體系轉(zhuǎn)換的施工方案在保證橋梁結(jié)構(gòu)受力均勻的同時，能有效控制橋梁線形，為最合理的成橋方案。