悬臂施工连续梁桥合龙线形应力分析

朱 雷 熊 锐 颜 岩

（1．云南省水利水电勘测设计研究院 昆明 650051；2．武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070）

混凝土材料的特殊性和预应力连续梁桥施工工艺的复杂性，加之施工过程中许多难以预料的因素，可能导致构件中某些部位的应力储备不足或过大、线形偏离，从而形成安全隐患［1］。通过对关键控制断面应力、应变、变形及温度等物理量的测量来了解结构各构件在每一施工阶段的实际受力状况及变形情况；及时发现问题，以便采取相应的技术措施［2－4］，使桥梁结构受力合理，线形符合设计要求，确保大桥的施工安全、美观可靠和长久耐用。

主桥上部结构采用预应力混凝土连续梁结构悬臂挂篮施工［5］。在施工过程中，荷载是由各节段浇筑完成而逐步施加的，预应力张拉将会大幅度改变混凝土内的应力分布和变形。结构刚度、混凝土收缩徐变、预应力索、温度、外载等因素，将使桥梁结构的变形、应力状态及其变化规律更加复杂。施工控制结构分析计算是施工监控的一个重要部分，是施工监控的前提。

现以某大桥连续梁桥右幅作为工程背景，采用有限元分析软件MIDAS计算合龙后桥梁的应力和线性的变化。

1 工程概况

主桥长度为40m＋69．5m＋98m＋78m＋49．5m＝335m，为变截面预应力连续梁，采用单箱单室箱梁，其结构总体布置见图1，箱梁中支座断面梁高5．5（4．6）m，端支座断面梁高2．6m，梁底曲线采用抛物线平滑过渡，箱梁顶宽13．49m，底宽7m，箱梁悬臂3．245m，厚0．16～0．65m，顶板厚0．28m，底板厚0．28～0．8m。

图1 右幅主桥结构总体布置示意图（单位：m）

混凝土标号及节段划分：预应力连续箱梁采用C55混凝土浇筑。全桥施工节段分为0至15号节段，0号节段长度为8．0m，1～4号节段长度为3．0m，5～12号节段长度为4．0m，13（C1）号节段为中跨合龙段，长度2．0m，14（D1），15（D2）号节段为边跨直线段，长度分别为59．4，19．4m。最重的悬臂浇注节段为5号节段，其重量为144t。

2 MIDAS模型建立

采用 MIDAS／CIVIL进行整体计算［6］，在结构整体计算中，将结构简化为平面结构，各节段离散为梁单元，建模时均不考虑墩柱的影响，右幅桥共分为123个单元，124个节点，96种钢束，右幅桥成桥状态结构计算简图见图2。

图2 右幅成桥状态结构单元划分图

3 计算工况

悬臂施工过程中每个施工节段主梁标高测试分3个工况，即挂篮就位后、浇筑混凝土后和张拉预应力后，右幅桥施工计算共分48个工况。

对于桥梁施工到运营整个阶段的荷载作用，考虑施工状态和运营状态的所有可能作用以及相应组合。

在施工状态中，结构的自重由程序自动计入。在悬臂施工过程中，由于主梁结构是静定的，墩身的沉降不会引起内力，对预浇梁段的影响较小，可忽略不计。而在成桥运营阶段，支座、墩身的沉降会带来结构的次应力，这时按主墩沉降考虑，主墩沉降值根据实际测量值确定。根据实际观察，挂篮对已浇筑梁段的作用简化为2个集中力和不平衡弯矩，并作用在已浇梁段前端节点；在浇筑阶段，该节段未达到强度前，混凝土的湿重考虑为荷载换计至挂篮上，通过挂篮的反作用力作用于已浇筑的梁端上。施工过程中的桥面临时堆积荷载，根据实际情况，在桥面单元上作用集中荷载或均布荷载。

4 计算结果分析

4．1 合龙应力分析

根据有限元计算结果与实际施工测得数据，合龙后右幅应力见图3。

图3 右幅合龙后应力值

根据图3理论值与实际值比较，右幅在边跨合龙之后，由于受到边跨合龙段的约束，S054，S055，SO56号墩边跨的应力在后期施工荷载作用下变化不大；而中跨由于处于悬臂状态，在浇筑以及张拉工况下，应力以及挠度变化比较大，与理论计算结果相一致；右幅中跨合龙段张拉后，跨中处所承受的弯矩最大，S054，S055，S056号墩根截面应力变化变小，表明左右2幅桥梁结构完成体系转换，桥梁的受力更加均匀。且上部结构由于受预应力钢束的约束，箱梁顶板与底板均处于受压状态，保证了桥梁在后期营运过程的安全。而且在桥梁合龙完成后，各截面实际应力值要略大于理论计算值，但总体规律接近理论计算值，说明桥梁的预应力略微有超张拉，预应力储备足够，使桥梁的长期运营更加安全。

4．2 合龙线性分析

根据有限元计算结果与实际施工测得数据，合龙后右幅实际下挠度值与理论值比较见图4，实际标高与设计标高比值见图5。

图4 右幅实际下挠值与理论值比较

图5 右幅实际标高与设计标高值比较

由图4可见，主桥的实际下挠量与理论变化大体一致，边跨处的下挠量小于计算值，中跨处则趋于一致。由图5可见，主桥的整体标高均高于桥梁设计标高，其中在中跨的跨中处，大约高于设计线形5cm，可以满足合龙后期的桥面铺装荷载、长期收缩徐变的下挠，符合计算的变化规律，施工线形控制比较准确。

右幅桥梁整体合龙后，顶面高程与设计高程比值见图6。

图6 右幅顶面高程与设计高程比较图

由图6可见，主桥顶面混凝土的实际高程与设计标高相比较，均高于设计标高，且差值均集中在5cm左右，可满足桥面铺装的二期荷载的要求。成桥最终的线形结果是评定桥梁线形是否满足要求的重要指标，通过实测结果与计算结果对比，可看出桥梁的线形是否顺直，是否满足营运要求。由图4～6可见，桥梁的线形与理论计算比较接近，但由于在前期悬臂施工阶段时，有部分节段的混凝土顶面标高偏高，使得部份桥面的铺装层厚度小于设计的厚度，基于此，施工方进行了局部的标高调整。

成桥后，中跨的标高较设计值高5cm左右，为桥梁后期的徐变预留了足够的下挠量，可保证3年后的线形与设计接近一致。

5 结论与展望

（1）右幅在边跨合龙后，由于受到边跨合龙段的约束，S054，S055，SO56号墩边跨的应力在后期的施工荷载作用下变化不大；而中跨由于处于悬臂状态，在浇筑以及张拉工况下，应力以及挠度变化较大，与理论计算结果相一致。

（2）右幅中跨合龙段张拉后，跨中处所承受的弯矩最大，S054，S055，S056号墩根截面应力变化也变小，表明右幅桥梁结构完成体系转换，桥梁的受力更加均匀。且上部结构由于受预应力钢束的约束，箱梁顶板与底板均处于受压状态，保证了桥梁在后期营运过程中的安全。

（3）在桥梁合龙完成后，各截面实际应力值要略大于理论计算值，但总体规律接近理论计算值，说明桥梁的预应力略微有超张拉，预应力储备足够，使桥梁的长期运营更加安全。

（4）主桥顶面混凝土的实际高程与设计标高相比较，均高于设计标高，且差值均集中在5cm左右，可满足桥面铺装的二期荷载的要求。成桥后，中跨的标高较设计值高5cm左右，为桥梁后期的徐变预留了足够的下挠量，可保证3年后的线形与设计接近一致。

［1］ 项海帆．高等桥梁结构理论［M］．北京：人民交通出版社，2001．

［2］ 李小祥，石青飞，阮 欣．在跨径预应力混凝土箱梁桥底板破坏数值分析［J］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2012，36（1）：87－90．

［3］ JTGD60－2004交通部公路桥涵设计通用规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［4］ JTGD62－2004交通部公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［5］ JTJ041－2000交通部公路桥涵施工技术规范［S］．北京：人民交通出版社，2000．

［6］ 王勖成，邵 敏．有限单元法基本原理和数值方法［M］．北京：清华大学出版社，2002．