高速公路連續(xù)梁合龍施工控制技術(shù)研究

摘 要：本文以山東省某連續(xù)梁橋的合龍施工控制技術(shù)為研究對象，通過有限元計算模型，驗證了橋體結(jié)構(gòu)在合龍過程中的穩(wěn)定性，并分析了合龍段混凝土澆注后及運營期間橋體上下緣的應(yīng)力分布情況。研究結(jié)果表明，跨中合龍段澆注后，單組鎖定工鋼將產(chǎn)生最大899kN的軸力，主梁邊支點附近截面上緣存在約0.55MPa的拉應(yīng)力，理論頂推力為4642kN，建議設(shè)計采用適當(dāng)?shù)捻斖屏χ?，并在施工流程中明確要求左右幅橋主跨合龍同步進(jìn)行，保證結(jié)構(gòu)受力合理，為類似連續(xù)梁橋的合龍施工提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：高速公路；連續(xù)梁；合龍施工

中圖分類號：U 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高速公路連續(xù)梁橋因其良好的跨越能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益，在交通建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。合龍施工是連續(xù)梁橋建設(shè)中的最后一道關(guān)鍵工序，其施工控制技術(shù)的優(yōu)劣直接影響橋梁的最終質(zhì)量和使用壽命。目前，高速公路連續(xù)梁合龍施工控制主要依據(jù)施工控制理論，例如自適應(yīng)控制法、預(yù)測控制法等[1]。孟磊[2]使用有限元分析法等數(shù)值模擬技術(shù)為施工控制提供了強(qiáng)有力的理論支持。預(yù)應(yīng)力張拉是連續(xù)梁合龍施工中的核心技術(shù)之一，雷建華等[3]通過精確控制張拉力和伸長量，實現(xiàn)梁段的預(yù)壓應(yīng)力，提高橋梁的整體穩(wěn)定性。姚健東[4]在施工監(jiān)測中利用無線傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，提高了施工控制的實時性和準(zhǔn)確性。楊磊[5]對合龍段混凝土澆筑時的溫度控制進(jìn)行了深入研究，選擇晝夜溫差小的季節(jié)施工、采用溫控設(shè)備等，保證混凝土施工質(zhì)量。林巍杰等[6]為減少兩端懸臂受溫度變化的影響，采用勁性骨架將兩端懸臂臨時聯(lián)結(jié)，保證合龍段混凝土在凝固過程中不受張拉或壓縮的超應(yīng)力影響。

1 工程概況

山東省某高速公路（40+60+40）m連續(xù)梁工程，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橫斷面為單箱三室直腹板構(gòu)造。橋體采用掛籃施工，合龍段長2.0 m，通過勁性骨架、張拉臨時合龍鋼束克服溫差效應(yīng)（升、降溫）產(chǎn)生的水平力，保證合龍段混凝土在強(qiáng)度增長過程中不會被破壞。合龍段勁性骨架主要由主型鋼支撐2I56a和梁體預(yù)埋件組成。主型鋼支撐通過錨固鋼板焊接在梁體預(yù)埋件上。合龍時產(chǎn)生的力通過梁體預(yù)埋件與錨固鋼板間的焊縫傳給主型鋼骨架，然后推動整個梁體自由移動。單T構(gòu)澆筑7#段、邊跨澆筑直線段后，進(jìn)行邊跨合龍段施工，邊跨合龍段采用支架形式。當(dāng)兩個T構(gòu)均完成邊跨合龍段施工后，拆除臨時固結(jié)進(jìn)行中跨合龍段施工，中跨合龍段施工采用吊架形式。邊跨合龍段鎖定采用“外勁性骨架+臨時張拉鋼束”方案。合龍段兩側(cè)節(jié)段施工時須提前預(yù)埋勁性骨架連接鋼板。勁性骨架用來連接兩端梁，保證合龍段凈空，防止在澆筑合龍段混凝土的過程中及合龍段混凝土未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)過程中，出現(xiàn)梁兩端錯動問題，同時用來抵抗合龍段因溫度升高而產(chǎn)生的壓應(yīng)力及梁體可能錯動而引起的豎向剪應(yīng)力。

2 數(shù)值模擬計算模型

為了驗證橋體結(jié)構(gòu)在合龍過程中的穩(wěn)定性，需要建立有限元數(shù)值計算模型，模型如圖1所示。中跨合龍段工鋼鎖定后，工鋼將與左右半跨梁橋連接成整體，形成組合連續(xù)梁橋，并將共同承受中跨合龍段混凝土質(zhì)量產(chǎn)生的內(nèi)力。

橋體合龍時，主墩為固定墩，根據(jù)圖2計算結(jié)果，跨中合龍段混凝土澆注完后，單組鎖定工鋼將產(chǎn)生最大899 kN的軸力，對應(yīng)的最大正應(yīng)力為33.3 MPa，主應(yīng)力呈現(xiàn)軸對稱分布。施工階段主梁上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，主梁懸臂根部下緣最大拉應(yīng)力為0.30 MPa，主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.89 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為15.73 MPa，小于短暫工況的應(yīng)力限值。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因包括主墩上梁體隨氣溫升高或降低，導(dǎo)致梁體的伸長和縮短，并使梁體沿縱向產(chǎn)生微小移動，通過合龍段鋼支撐帶動邊跨直線段移動，支線段一部分作用于支架，邊墩墩頂處作用于支座，支架變形產(chǎn)生的水平力及墩頂支座處產(chǎn)生的縱向摩擦力即為鋼支撐的受力，結(jié)合上述計算結(jié)果，能夠滿足設(shè)計及使用要求。

3 合龍段運營期間應(yīng)力分布

為驗證合龍后運營期間橋體上下緣的應(yīng)力分布情況，對橋體邊緣應(yīng)力進(jìn)行計算，運營前期（不計10年發(fā)生的應(yīng)力變化）在最不利組合條件下的計算結(jié)果如圖3所示，運營后期在最不利組合下（計入10年發(fā)生的應(yīng)力變化）的結(jié)果如圖4所示。根據(jù)所得計算結(jié)果，運營前期（不計10年發(fā)生的應(yīng)力變化）在最不利組合下，中支點上緣以及主跨跨中底緣的壓應(yīng)力儲備分別為0.63 MPa、3.17 MPa，運營后期（計入10年發(fā)生的應(yīng)力變化），在最不利組合下，中支點上緣以及主跨跨中底緣的壓應(yīng)力儲備分別為0.20 MPa、0.91 MPa。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因為邊跨底板鋼束集中在梁端錨固，并且鋼束合力作用點位置過于偏下，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力施加后，梁體上部，尤其是邊支點附近受到的預(yù)壓應(yīng)力不足，而下部則受到較大的預(yù)壓應(yīng)力。這種不平衡的預(yù)應(yīng)力分布導(dǎo)致在外部荷載作用下，邊支點附近截面上緣更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。隨著時間的推移，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中的預(yù)應(yīng)力會逐漸損失，包括混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力筋松弛、錨具變形等原因?qū)е碌念A(yù)應(yīng)力損失。這些損失使原本設(shè)計的預(yù)應(yīng)力儲備減少，進(jìn)一步加劇了邊支點附近截面上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力的風(fēng)險。

同時，無論運營前期或后期，主梁邊支點附近截面上緣均存在0.55 MPa左右拉應(yīng)力，這是邊跨底板鋼束集中在梁端錨固并且鋼束合力作用點位置過于偏下導(dǎo)致。為避免截面上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，建議采取以下措施：部分底板鋼束可提前截斷，在邊跨現(xiàn)澆段設(shè)齒板錨固，優(yōu)化原設(shè)計梁端鋼束布置。

4 合龍后頂推力結(jié)算

在全橋合龍后，在預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力以及混凝土收縮徐變次內(nèi)力的作用下，主墩內(nèi)產(chǎn)生向主跨方向的水平剪力，頂推力抵消全部的預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力以及50％收縮徐變引起的次剪力，頂推力計算見表1。

計算得到的理論頂推力為4642 kN，設(shè)計采用3800 kN的頂推力偏小。建議設(shè)計根據(jù)計算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整頂推力。理論頂推力是假設(shè)合龍時刻溫度為20℃的情況下，使本橋成橋后保持均衡受力狀態(tài)的理論解。施工中一般要求在溫度相對低時進(jìn)行主橋合龍，實際合龍時的溫度會與設(shè)計假設(shè)合龍溫度有偏差，因此，為了消除此偏差對結(jié)構(gòu)受力帶來的影響，保證成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與計算的理想狀態(tài)保持一致，可以通過修正頂推力來實現(xiàn)。施工至合龍前，對主梁實施預(yù)頂推1000 kN，測出主墩頂產(chǎn)生的水平位移W，假設(shè)合龍時的實際溫度為t1℃，理論頂推力為F理論，則修正頂推力值F修的計算過程如公式（1）所示，計算頂推力為100 t，分布如圖5所示。

5 技術(shù)控制措施

橋體上部結(jié)構(gòu)采用分離式，主墩基礎(chǔ)采用整體式，抵抗船舶撞擊力等偶然荷載時有明顯的優(yōu)勢。但左右幅基礎(chǔ)連成一體，因此要求兩幅橋在主跨合龍前施加頂推力這個關(guān)鍵工序上必須同時同步，才能保證實際的結(jié)構(gòu)受力與計算模型一致。如果兩幅橋主跨合龍分先后實施，因下部結(jié)構(gòu)的剛度與理論計算存在差異，那么頂推力就無法達(dá)到使主墩結(jié)構(gòu)受力均衡的目的，甚至?xí)怪鞫盏氖芰Σ焕＝ㄗh設(shè)計在施工流程圖中明確要求左、右幅橋主跨合龍同步進(jìn)行，保證結(jié)構(gòu)受力合理。

在邊跨現(xiàn)澆段設(shè)置齒板錨固，更有效地將預(yù)應(yīng)力傳遞到梁體上部。齒板錨固能夠提高錨固點的剛度和穩(wěn)定性、預(yù)應(yīng)力的傳遞效率。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析，適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量或增加預(yù)應(yīng)力值，擴(kuò)大整個結(jié)構(gòu)的預(yù)壓應(yīng)力儲備，有助于降低外部荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。在設(shè)計階段，需要充分考慮混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力筋松弛等因素導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失，合理估算并預(yù)留足夠的預(yù)應(yīng)力儲備。在橋梁運營期間，要加強(qiáng)監(jiān)測與維護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的問題。通過定期檢測預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)和橋梁結(jié)構(gòu)的變形情況，可以評估結(jié)構(gòu)的健康狀況并采取相應(yīng)的維護(hù)措施。

6 結(jié)論

在跨中合龍段澆注完后，單組鎖定工鋼產(chǎn)生的最大軸力為899 kN，主梁懸臂根部下緣最大拉應(yīng)力為0.30 MPa，主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.89 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為15.73 MPa，小于短暫工況的應(yīng)力限值。主梁邊支點附近截面上緣均存在0.55 MPa左右拉應(yīng)力，主要原因是邊跨底板鋼束集中在梁端錨固并且鋼束合力作用點位置過于偏下，部分底板鋼束可提前截斷，在邊跨現(xiàn)澆段設(shè)齒板錨固。

主墩內(nèi)產(chǎn)生向主跨方向的水平剪力，計算得到的理論頂推力為4642 kN，可以設(shè)計在施工流程圖中明確要求左、右幅橋主跨合龍同步進(jìn)行，在邊跨現(xiàn)澆段設(shè)置齒板錨固，保證結(jié)構(gòu)受力合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 王程昆，張運波.不同合龍順序?qū)Χ嗫玳L聯(lián)波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工方案的影響[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（18）：23-26.

[2]孟磊.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋合龍方案設(shè)計及比選研究[J].粉煤灰綜合利用，2022，36（1）：122-125，139.

[3]雷建華，周德.多跨連續(xù)梁橋體系轉(zhuǎn)換時支座反力與位移計算方法[J].橋梁建設(shè)，2021，51（4）：60-65.

[4] 姚健東.懸臂法施工預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁預(yù)埋件及預(yù)埋孔位設(shè)置及運用技術(shù)探討[J].建筑科技，2021，5（3）：50-53.

[5] 楊磊.濮陽特大鐵路連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工技術(shù)及應(yīng)用[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2020，18（4）：29-32.

[6] 林巍杰，湯宇，彭學(xué)軍，等.有限元分析軟件在連續(xù)梁線形監(jiān)控中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2020，52（11）：52-56