施工顺序对预应力混凝土连续梁合龙施工的影响

杨 飞

(中铁二局股份有限公司,四川成都 610032)

预应力混凝土连续梁桥常见的施工形式有悬臂施工和支架现浇两种。当桥墩较高,或地形条件不适合搭设支架时,通常利用挂篮分节段悬臂浇筑,悬臂浇筑完最后一个节段,接下来就是合龙段施工,进行全桥合龙。作为预应力混凝土连续梁施工最为重要的环节,合龙段施工的成败决定了整座连续梁的施工质量。本文以某座连续梁桥的施工为工程背景,分析不同的施工顺序对预应力混凝土连续梁合龙施工的影响。

1 工程概况

该桥全长为 136 m,计算跨度为(40+56+40)m。中支点梁高 4.6 m,跨中梁高 2.7 m。梁体结构为单箱单室、直腹板、变截面结构。箱梁底宽 5.8 m,梁顶宽 11.4 m。顶板厚度除梁端附近外均为 35c m,底板厚度 39～70 c m,按直线线性变化;腹板厚 35～70 c m,按折线变化。

该桥采用挂篮悬臂施工,全桥共有 3个合龙段,其中边跨合龙段两个,中跨合龙段一个。

2 总体施工方案

2.1 合龙时间的选择

合龙时间的选择,即合龙温度的选择。一天的气温变化呈现正弦曲线的规律。在悬臂浇筑过程中,预应力混凝土连续梁桥是静定结构,温度变化不会使其产生温度应力。但当合龙之后,即体系转化完成之后,该静定结构变为超静定结构,温度的变化势必产生相应的温度应力。混凝土结构中的温度变化还与结构的方位和朝向有关。在日照的作用下,混凝土梁的顶、底面会出现较大的温差。此外,由混凝土的热物理性质可知,混凝土的导热系数很小,在外表面温度变化较大的情况下,存在明显的温度滞后,从而在混凝土结构中出现温度沿板厚度分布不均匀的情况。这种分布不均匀的温度会在结构中产生内应力。

为此,查阅了过去五年内该季节的温度变化情况,发现晚上 23:00至翌日凌晨 6:00,这一时段内气温变化最小,即该时段的温度场相对较均匀。故选择这一时段为合龙时段。

2.2 合龙段刚性支撑

合龙段浇筑完成之后到混凝土强度达到设计强度还有很长一段时间,这段时间内气温会经历由低到高,再由高到低的反复变化。如果由合龙段混凝土再承受此时的温度应力,可能产生混凝土拉裂或压碎。因此不能靠混凝土来承受此时的温度应力,而是用刚性支撑代替混凝土受力。

刚性支撑分为体内支撑和体外支撑两种,考虑材料的循环利用,该桥采用体外刚性支撑的形式。

(1)边跨合龙段:在箱梁顶、底板分别设置3组 2[32a作为外刚性支撑。

(2)中跨合龙段:在箱梁顶、底板分别设置4组 2[32a作为外刚性支撑。

3 合龙施工顺序对合龙段体外刚性支撑的影响

3.1 边跨合龙施工顺序

(1)顺序 1:待边跨合龙段合龙完成,且相应的预应力束张拉之后,拆除两个边墩支座的临时约束。

(2)顺序 2:边跨合龙之前,体外刚性支撑安装完成,张拉临时预应力,解除边墩支座的临时约束,进行混凝土浇筑。

上述两个方案的区别在于拆除边墩支座的临时约束的时间。

3.2 中跨合龙施工顺序

(1)顺序 1:待中跨合龙段合龙完成,且相应的预应力束张拉之后,拆除主墩临时支墩及主墩永久性支座的临时约束。

(2)顺序 2:中跨合龙之前,体外刚性支撑安装完成,张拉临时预应力,拆除临时支墩及永久性支座的临时约束,进行混凝土浇筑。

上述两种方案的区别在于拆除临时支墩的时间和解除中墩支座临时约束的时间。

3.3 结构分析

为分析不同的施工顺序对合龙段体外刚性支撑的影响,笔者采用大型通用有限元软件midas建立计算模型进行结构分析。

温度荷载采用昼夜温差和日照温差两种荷载工况。昼夜温差是指正午最高气温和夜间最低气温之差。根据当地气象单位提供的资料,该温差取为 15℃。

日照温差是指正午时分,当阳光直射桥面时,桥面温度与梁底温度之差。根据现场温度测试,该值取为 15℃。

3.3.1 边跨合龙分析

(1)顺序 1:由于边墩支座的临时约束在合龙后解除,即合龙过程中,边墩纵向活动支座不能发生作用,类似于固定支座。因此边墩处的纵向位移必须被限制。

(2)顺序 2:体外刚性支撑安装完成,临时预应力束张拉之后即可解除边墩支座的临时约束,模型中边墩的纵向位移即 D X方向的约束消失。

边跨合龙段的计算模型如图1所示。

由于图形较小,两个模型看不出区别,但经局部放大可以看出,该模型与上一个模型的不同之处在于该模型边墩支座处的边界条件,如图 2所示。

图2 边墩处支座约束

3.3.2 中跨合龙分析

计算模型如图 3所示。

经程序计算,在日照温差和昼夜温差的共同作用下,刚性支撑受力状况见表 1。

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由表 1可以看出,边跨合龙如按施工顺序 1进行,[32a最大应力已经超出其容许应力 188 MP a,但如采用施工顺序2,最大正应力在容许应力范围之内, 故应采用顺序 2的方式进行边跨合龙。同理,中跨合龙也应采用顺序 2。

前面提到了,边跨合龙时,顺序 1和顺序 2的唯一区别是边墩支座临时约束何时解除,其余条件均相同。相应的计算模型也只有边界条件一点微小的区别(见图 2),但计算结果相距甚远。这是因为如果刚性支撑焊接之后,不解除边墩纵向活动支座的临时约束,当梁体在温度荷载的作用下发生变形,其纵向位移被临时约束所限制,由此便产生很大的内力,从而导致刚性支撑被破坏,迫使合龙段混凝土过早承受荷载,使合龙段混凝土压碎。中跨合龙的情形与之类似,当温度作用下的变形被临时支墩和活动支座的临时约束限制时,温度荷载会在结构中产生很大的内力。

3.3.3 连续梁合理的合龙顺序

(1)边跨合龙:在当天最低温度时焊接劲性骨架,张拉临时预应力;解除边墩永久性支座的临时锁定,确保支座可以活动;浇筑混凝土;待混凝土强度及弹性模量达到设计要求时,张拉合龙段预应力、管道压浆;拆除体外刚性支撑。

(2)中跨合龙:在当天最低气温时焊接劲性骨架,张拉临时预应力;拆除主墩临时支墩并解除永久性支座的临时锁定;浇筑混凝土;待混凝土强度及弹性模量达到设计要求,张拉合龙段预应力、管道压浆;拆除体外刚性支撑。

4 结束语

连续梁合龙段的施工是连续梁施工的关键工序,本文以一个连续梁的施工为工程背景,建立计算模型分析了不同的施工顺序对连续梁合龙的影响,为连续梁施工提供了一定的参考。

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