大跨径梁桥非连续施工对成桥影响效应分析

白志平，张谢东，韩成林，3，马淑芬

(1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063;2.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010;3.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

内蒙古某PC黄河特大桥，梁体采用悬臂浇筑法施工。在各T构浇筑到18#块时，即最大悬臂阶段状态，遇到北方冬季寒冷而无法继续现浇混凝土。T构在最大悬臂状态保持半年之久，势必会对各跨的合龙成桥造成影响。本文从结构受力安全角度和变形发展角度，分析由于停工对主梁应力和位移造成的影响，从而评价主桥最大悬臂状态的安全性和成桥合龙的可控性。

1 工程概况

本黄河特大桥主桥上部结构采用(85+6×150+85)m变截面预应力混凝土连续箱梁，总长1 070 m，采用整体承台双幅桥。单幅桥宽13.75 m，翼缘板悬臂长3.3 m，箱梁底宽7.15 m;跨根部梁高8.5 m，跨中梁高3.8 m，梁高曲线采用1.5次幂抛物线。0#块长10 m，悬臂浇筑段梁段划分为(8×3+5×4+5×5)m，节段划分示意如图1。

主桥下部采用钢筋混凝土薄壁空心墩，桥墩截面外形为10.65 m×7 m不等边长的六边形截面，桥墩薄壁厚度0.7 m。左右幅桥采用一个承台基础，平面采用32.5 m×12 m不等边长的六边形截面，承台厚度为4 m，采用22根φ1.8 m钻孔桩基础，桩长90 m，桩基础均按摩擦桩设计。

图1 主桥22#墩T构施工节段划分示意(单位:cm)

2 考虑抗震阻尼效应的非线性模型

采用空间梁单元对本黄河特大桥主桥建立三维有限元数值模型，该桥变截面主梁采用符合Timoshenko梁理论的两节点梁单元，较好地模拟外荷载作用下主梁的剪切变形和翘曲变形［1］。本桥23#中墩为制动墩，采用 KZQZ37500—GD 型抗震支座;20#，21#，22#，24#，25#，26#墩墩顶均采用 LQZ37500 型普通滑动支座，并附加设置2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗震阻尼器。19#，27#过渡墩墩顶采用 LQZ4000—SX型普通双向滑动支座。

考虑到本桥22#墩采用了2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗震阻尼器(图2)，建立了黏弹性消能器(Viscoelastic Damper)Maxwell非线性模型［2］，并依据参数敏感性分析而得到各参数取值。消能器阻尼Cd=1 700 kN;参考速度 VO=1.0;阻尼指数 s=0.5;连接弹簧刚度kb取为极大值(无限刚);有效阻尼为2 500 kN。桩身柔度和桩周围土进行模型简化处理，将桩—地基体系按土层厚度离散成一个理想化的参数系统，用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个地下部分的多质点体系，然后和上部结构质点体系联合建立整体耦联的动力微分方程组进行求解［3］。假设土介质为线弹性的连续介质;等代土弹簧的刚度由土介质的m值计算。22#墩墩顶双悬臂模型如图3所示。

综合考虑分析精度和结果比较的需要，本文在建立连续施工和非连续施工线性模型的基础上，亦建立了考虑阻尼器影响的非线性数值模型［4-5］。模型一为线性，模型二为非线性。

图2 主桥22#T构墩墩顶阻尼器布置示意

图3 主桥22#墩最大双悬臂数值模型

3 结果分析

3.1 最大悬臂状态效应

连续施工与非连续施工最大悬臂效应计算结果见表1，表2及表3。

表1 主桥22#墩最大双悬臂主梁最大正应力比较 MPa

分析表1主桥22#墩最大悬臂状态短暂状况应力值可知，对线性模型，非连续性施工将导致上缘应力增加0.17 MPa，下缘应力降低0.09 MPa;对非线性模型，亦有相同规律，即上缘应力增加，下缘应力降低。分析比较考虑阻尼器后的作用效果后可知，上缘应力均较线性模型低，而下缘应力较线性模型高。

分析表2主桥22#墩最大悬臂状态短暂状况弯矩最值可知，对线性模型，非连续性施工将导致主梁弯矩最值降低，约降低11%;对非线性模型，亦有相同规律，约降低21%。分析比较考虑阻尼器后的作用效果后可知，非线性模型计算值均比线性模型低。

表2 主桥22#墩最大双悬臂主梁最大弯矩比较 kN·m

表3 主桥22#墩最大双悬臂主梁最大位移比较 cm

分析表3主桥22#墩最大悬臂状态短暂状况位移最值可知，对线性模型，非连续性施工将导致悬臂端上挠0.3 cm;对非线性模型，亦有相同规律，悬臂端上挠0.5 cm。分析比较考虑阻尼器后的作用效果后可知，上挠量较线性模型大。

3.2 成桥阶段影响效应

连续施工与非连续施工成桥阶段计算结果见表4和表5。

分析表4主桥成桥阶段主梁最大正应力可知，对线性模型，非连续性施工将导致上缘应力降低0.44 MPa，下缘应力增加0.04 MPa;对非线性模型，亦有相同规律，即上缘应力降低，下缘应力增加。分析比较考虑阻尼器后的作用效果后可知，上缘应力均较线性模型低，而下缘应力较线性模型高。

表4 主桥成桥阶段主梁最大正应力比较 MPa

表5 主桥成桥阶段主梁最大位移比较 cm

分析表5主桥成桥阶段主梁位移最值可知，对线性模型，非连续性施工将导致位移将低，即挠度减小;对非线性模型，亦有相同规律。分析比较考虑阻尼器后的作用效果后可知，非线性位移较线性模型大，即非线性位移较线性模型上挠量大。

4 结论

1)对模型一进行线性分析可知，大跨径梁桥在最大悬臂状态休工长达半年之久且历经黄河流凌期的冰撞，计算结果表明，在现有设计和施工条件下，合龙期间采用适当监控措施可以安全合龙。

2)模型一计算结果表明，大跨径梁桥在最大悬臂状态非连续施工将引起悬臂节段上缘应力增大，下缘应力降低;悬臂阶段也将上挠。对成桥阶段，将引起节段上缘应力降低，下缘应力增大;主梁位移减小，即预拱度降低。

3)对考虑阻尼器的非线性模型二进行分析可知，计算变化趋势和模型一基本相符。同时表明阻尼器亦可有效约束主梁较大的位移和释放根部应力，使得主梁内力分布更合理。

［1］单德山，李乔，王玉珏.既有多梁式桥梁的损伤识别［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2008，27(1):5-8.

［2］郭俊峰.凌汛期大跨径桥梁的安全性评价［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［3］雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］向中富.桥梁施工与控制［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［5］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.