大跨度城际铁路连续梁桥悬臂施工阶段应力分析

范春生(中铁十四局集团有限公司，山东 济南250014)

本文基于主跨150 米预应力混凝土连续梁桥的施工状况对悬臂施工全过程进行了有限元模拟分析，计算了各施工阶段各控制截面的应力，得出悬臂施工阶段各个控制截面各个控制点的较为详细的应力变化规律，对桥梁的施工控制有一定的指导作用。

1 工程概况

新建莞惠城际铁路赤滘口河特大桥位于广东省东莞市道滘镇内，桥梁全长5.26km，其中赤滘口河特大桥跨北海河为(80+150+150+80) m预应力混凝土连续梁，梁体形式为单箱单室直腹板变截面预应力混凝土连续箱梁。全桥箱梁顶宽11.6m，箱梁底宽6.5m；端支座处及边跨直线段和跨中处梁高为6.5m，中支点处梁高11.5m，梁高按圆弧线变化；采用悬臂浇注法施工，全桥共分111 个梁段，中支点0 号段长度14.0m，一般梁段长度分成3.0m，3.5m，4.0m，合龙段长度2.0m，边跨直线段长度3.85m，最大悬臂浇注块重3037.03kN。设计活载采用0.6UIC 荷载图式值作为桥梁设计的列车竖向活载。挂篮及施工荷载总重(包括模板)按最大梁段的一半，取1000kN计。该大桥总体布置图见图1。

主桥上部结构施工步骤为：采用墩旁托架施工0 号段→安装悬臂施工挂篮、绑扎钢筋、浇注混凝土，张拉预应力钢束→对称移动悬臂施工挂蓝→对称顺序安装各节段施工模板、绑扎钢筋、浇注混凝土，张拉预应力钢束→适时安装边跨直线段施工模板、绑扎钢筋、浇注混凝土，张拉预应力钢束→拆除悬臂施工挂篮→安装边跨合龙吊架和合龙支撑→安装边跨合龙段施工模板、绑扎钢筋、浇注混凝土，张拉预应力钢束→拆除边跨吊篮、吊架→安装中跨合龙吊架和合龙支撑→安装中跨合龙段施工模板、绑扎钢筋、浇注混凝土，张拉预应力钢束→拆除中跨悬臂压重、吊架及支撑→拆除1 号墩、2 号墩、3 号墩临时支座及墩旁托架→成桥、竣工验收。

2 计算模型

本桥采用悬臂现浇施工，施工工序和施工阶段较多。在施工过程中，主梁标高和内力不断变化，有可能造成各阶段的应力随混凝土浇注过程变化而偏离设计值，甚至超过设计允许应力值。若不通过有效的施工控制及时发现、及时调整，就可能造成成桥状态内力不符合设计要求。对桥梁进行施工监控的目的之一就是确保施工过程中结构的可靠度和安全性，保证桥梁成桥后受力状态符合设计要求。因此，从某种意义上讲，掌握和了解悬臂施工阶段桥梁结构的应力状态成了大跨度桥梁修建过程中必不可少的工作内容。

2.1 单元划分

在进行计算时，用空间梁单元模拟主桥，各梁段离散为梁单元。全桥共划分为136 个梁单元，163 个节点。其中，0号块划分为6 个单元，每个悬臂浇注块划分为1 个单元，合龙段作为4 个单元，边跨直线段划分为3 个单元。

图1 总体布置图

2.2 边界条件

桥梁结构在悬臂施工过程中发生体系转换，即桥梁结构的边界条件在施工过程中会发生变化。边跨合拢前，1 号墩、2 号墩和3 号墩与悬臂浇注段为静定T 构。边跨合龙后，桥梁结构体系发生变化。中跨合龙后，全桥形成连续梁桥结构。计算时，边跨合龙前，1 号墩、2 号墩和3 号墩的约束条件为固结。边跨合龙后，1 号墩、2 号墩和3 号墩为固定铰支，边墩为活动铰支。中跨合龙后，1 号、3 号和边墩为活动铰支，2 号墩为固定铰支。

2.3 计算参数

本次计算考虑了影响施工过程的主要因素，如箱梁自重、混凝土收缩徐变、预应力等。

3 计算结果

本文选取距2 号墩1.75m 处的悬臂根部的5-5 截面为应力控制截面，计算箱梁顶板测点A点和底板测点B 点的应力。测点布置如图2 所示。

施工过程中，对各个梁段的应力进行计算时，同时考虑预应力、结构自重和施工荷载等作用。

图2 测点布置图

1) 各梁段由于张拉预应力钢束在正截面上产生的纵向力、剪力和弯矩按下列公式计算：

式中： σy、Ay为预应力钢束的预加应力(扣除相应阶段的应力损失) 和截面面积。

ey为预加应力和合力至截面重心轴的距离，其计算公式如下：

其中， Yy为预应力钢束Ay的重心至截面重心轴的距离。

确定截面重心轴的位置时，构件截面按以下方法规定：在预应力钢束管道内压注灰浆以前为净截面，在预应力钢束与混凝土之间具有粘结力以后，则为换算截面。

2)由预应力产生的混凝土法向应力，由下式计算：

式中：y 为计算的应力点至截面重心轴的距离

3)由荷载产生的混凝土法向应力由下式计算：

式中：N 、M 分别为纵向力和弯矩。

A0、 I0分别为换算截面的面积和惯性矩。

各个测点在各个施工阶段应力计算结果见表1。

根据表1 的计算结果，可以得到各控制点的应力变化曲线，见图3。

图3 测点应力变化曲线

从图3 可以看出，在悬臂浇注施工过程中，所有阶段，5-5 截面混凝土应力均为压应力，符合相关设计要求。

同理，也可以计算出其他截面上各个测点的应力。在实际施工控制中，可以在桥梁结构的其他截面增加应力测点，从而更完全的掌握施工过程中桥梁结构内力的发展情况。

4 结语

1) 本文通过有限单元法模拟计算了大跨度铁路预应力混凝土连续梁桥施工过程，得到了桥梁结构各个控制截面上各个控制点在不同施工阶段的理想应力状态，从而为施工控制的应力控制提供理论依据。

2) 挂篮重量和预应力对桥梁结构受力影响较大，施工过程中应严格控制。

表1 5-5 截面各个测点应力值

3) 采用悬臂施工法的大跨度连续梁，施工过程中和成桥后的结构受力状态与不同的施工顺序密切相关。因此，施工过程中，应尽量避免改变施工计划。如有变化，应重新计算，并及时评估桥梁结构的受力状态。

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