多跨一联大跨度连续梁解除临时约束分析

刘敏剑

(同济大学桥梁工程系，上海 200092)

目前，我国正处于高速铁路建设的发展时期，在建和待建的高速铁路总里程将达到上万千米，由于高速铁路对线路平顺性有较高要求，因此桥梁在线路里程中占有很大比例。从2005年开工的11条客运专线中，桥梁占线路比例为41.3%;京沪高铁80.5%的线路长度是由桥梁占据。而铁路桥梁中绝大部分是简支梁桥与连续梁桥，因此，对高速铁路连续梁桥施工技术的研究是非常必要的。连续梁的施工方法有很多，常见的有悬臂施工法、满堂支架法、逐孔架设法、移动模架法、顶推法等。每种方法都有优点，也存在不足。其中，悬臂施工法不需要大量施工支架及临时设备，不影响桥下通航、通车，施工不受季节、河道水位的影响，并能够在大跨径桥上采用，因而得到广泛使用。主要对悬臂法这一最常见的连续梁施工方法进行研究。以某在建6跨连续梁为工程背景，分析临时约束的解除方法及时机对桥梁结构的影响。

1 临时约束模拟

1.1 临时约束的设置及拆除

永久支座不能承受悬臂施工时产生的不平衡弯矩。因此，悬臂施工时必须在0号块底部设置临时约束，由临时约束抵抗不平衡弯矩。该桥墩顶设置4个C50临时固结支墩，每个临时支墩内有108根Φ32的HRB335螺纹钢筋。Φ32螺纹钢筋3根一束，每根长4.78 m，预埋入墩身2.0 m，梁体内锚固长度为155 cm，见图1。

施工合龙采用先边跨后次中跨，最后中跨的顺序。当施工至边跨合龙段，待合龙段现浇7 d后，将临时支墩混凝土凿除，保留临时支墩内钢筋，然后张拉合龙段预应力筋。次中跨合龙段施工顺序类似。施工至中跨合龙段，待合龙段浇筑7 d后，再一次性将所有临时约束解除。即此时全桥的边界条件与成桥运营时相同。

1.2 临时约束模拟

在设计、施工控制时，临时约束处理一般采用平面杆系软件模拟。主梁为平面杆系模型，临时约束用边界条件处理，可在主梁上设置两个铰支座或用刚性连接将主梁与桥墩联系起来，或直接将临时约束作为一个梁单元来处理。这种处理方法能够满足设计及施工控制的要求。但是将混凝土凿除，保留支墩内钢筋的处理一般是在永久支座处增加一个水平方向约束。这显然与实际情况有较大出入。对于钢筋的模拟，模拟方法与临时约束一样，有两种方法：1)可用梁单元模拟，单元截面可采用实际截面，或为任意截面而修改截面特性。2)将钢筋的主要受力特性抽象为各个自由度的弹性约束，在主梁上钢筋合力作用点处设置弹性支座来模拟。由于支墩内钢筋数量较多，该桥每个支墩内有108根钢筋，导入实际截面十分不便，因此宜采用第二种方法。

图1 临时支墩布置图

由于全桥模型为平面杆系模型，故钢筋可只考虑两个自由度方向的刚度：1)钢筋轴向刚度：钢筋弹性模量E=2.0×105N/mm2，两个支墩内钢筋面积A=173 717 mm2。因此，一侧两个支墩内钢筋抗拉刚度为EA=3.47×107kN/m。对于支墩内钢筋抗拉刚度，则由钢筋的抗压稳定特性决定。凿除支墩混凝土之前，临时约束承受较大的弯矩，混凝土内钢筋也会产生相应的转角变形，相当于压杆受荷初偏心及初弯曲均较大，因此，将不考虑钢筋的抗压能力。2)钢筋抗推刚度：利用结构力学公式一侧两个支墩内钢筋抗推刚度为31 104 kN/m。3)钢筋抗弯刚度：相对于箱梁的抗弯刚度，钢束的抗弯刚度几乎可以忽略不计。

1.3 模型建立

为分析临时约束解除方式对施工过程及结构成桥后的线形、内力的影响规律，分两种情况，建立三种模型进行计算。第一种情况：边跨合龙段浇筑7 d后，将混凝土凿除，同时割除支墩内钢筋;次中跨与中跨合龙段的临时约束也按此法操作。体系转换前将设置临时支墩及永久支座。建立临时支墩单元，单元一端与主梁共节点，另一端固结。体系转换后，拆除临时支墩单元，保留永久支座，对于纵向可滑动支座，在下一合龙段施工前，约束水平方向自由度。第二种情况：边跨合龙段浇筑7 d后，将混凝土凿除，保留支墩钢筋;即采用该桥实际施工方法。体系转换前同前设置约束。凿除混凝土后，可采用两种方法：1)设置弹性支座，考虑水平、竖直两个方向自由度的约束，刚度按前述取值;2)将混凝土单元截面替换成钢筋实际截面，并将单元抗弯惯矩设置为极小值。

2 计算结果对比分析

体系转换时，由于边界条件的变化，结构内力、线形均有一定变化。转换之后，主要的施工阶段为张拉预应力。对于主梁结构，合龙段为新浇筑混凝土，对内力、变形的变化很敏感。悬臂端无约束，可自由移动，主梁内力、变形变化经过累积，可在悬臂端产生较大位移，增加施工控制难度。设凿除混凝土并割除钢筋为工况一，用弹性支座模拟钢筋为工况二，用实际截面梁单元模拟钢筋为工况三。通过桥梁博士软件建模分析这三种工况对合龙段及悬臂端的影响。

2.1 凿除混凝土计算结果对比

临时约束的解除改变了结构的边界条件，因此一定会在结构内产生一定的附加内力。混凝土凿除，临时约束的刚度大大减小，临时约束对主梁的反力也会变化或直接没有了反力，这时主梁便会产生一定的变形。悬臂两端由于临时约束的解除会产生纵向或者竖向变形，若合龙段劲性骨架刚度不够或变形较大，还在凝固过程中的合龙段混凝土将产生局部破坏或裂缝，给结构安全带来隐患。凿除混凝土前后对应合龙段挠度见表1。由计算结果可知，凿除临时约束混凝土是否保留钢筋对边跨合龙段影响均很小。对于次中跨与中跨合龙段，在工况一下，合龙段向下挠度分别为1.8 mm，6.9 mm;工况二与工况三挠度绝对值相同，且挠度变化值很小，可视为对合龙段混凝土无影响。显然，凿除混凝土后保留钢筋使结构处于更稳定的状态，对合龙段的扰动较小。

表1 各工况合龙段挠度对比(一) mm

2.2 张拉合龙段预应力筋计算结果对比

张拉合龙段预应力筋在跨中产生很大的负弯矩，使主梁发生上拱。在工况一下，悬臂端会绕永久支座发生顺时针转动，使最大悬臂端产生很大下挠，不利于下一合龙段的施工。若保留支墩内钢筋则可以避免这一问题。张拉预应力筋时，钢筋拉住主梁，部分阻止主梁上拱变形。张拉预应力筋前后最大悬臂端挠度见表2。由表2可知，在完全拆除临时约束的情况下，张拉预应力筋后悬臂端下挠较大，中跨下挠甚至达到10 cm。而保留支墩钢筋能有效减小悬臂端的下挠程度。

表2 各工况合龙段挠度对比(二) mm

2.3 支座位移对比

预应力筋的张拉在梁体内产生很大轴力，混凝土的徐变收缩特性，温度效应等因素的影响，主梁将会轴向变形，这样就会导致桥墩活动支座的位移量、梁端伸缩量较大。因此，需在支座处预设偏移量的方法避免纵向位移过大而产生的偏心受力。假定混凝土弹性模量及收缩徐变特性相同，不计入温度效应，只考虑张拉预应力筋产生的轴向变形。该桥桥墩编号103号～109号，由于结构的对称性，取103号～105号的支座位移在三种工况下进行对比，见表3。完全解除临时约束的情况下，支座处的位移较大。由此可见，支墩内钢筋可以阻止支座处主梁的滑移。

表3 各工况合龙段挠度对比(三) mm

3 结语

1)由计算可知，拆除混凝土并割除钢筋，合龙段混凝土会受到主梁变形的影响，产生开裂或局部裂缝，对结构不利。此时应加强合龙段劲性骨架的刚度，最大程度承受变形产生的轴向拉力和剪力。但刚度过大的劲性骨架会吸收预应力筋的压力，使混凝土的预压力减小，造成预应力的损失。保留支墩钢筋可保证悬臂稳定，使结构不发生较大位移。2)张拉合龙段预应力筋时，主梁悬臂端将产生下挠。若完全解除临时约束，主梁下挠最大值可达到10 cm，不利于下一合龙段的施工。保留支墩钢筋能有效约束梁体变形。3)墩钢筋具有一定抗推刚度，对支座的偏移量有一定的影响。保留钢筋与完全拆除临时约束两种工况下，最外侧桥墩处差值最大，为1.4 cm。

［1］ 范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］ 范立础.桥梁工程(下册)［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［3］ 朱杨琼.某特大桥大跨度道岔预应力连续梁支架施工［J］.山西建筑，2011，37(20)：174-175.