大跨度桥梁施工力学理论及其应用

史晓龙

(郑州市水利建筑工程局 郑州 450000)

付永春

(云南水投牛栏江滇池补水工程有限公司 昆明 650051)

在科学技术和经济不断发展的今天，回顾桥梁建设结构的历史，从小跨度、形式简单的桥梁结构，到现在的大跨度、结构复杂的新式桥梁，都体现了科技的不断进步。伴随着新技术、新工艺、新材料的不断发展，以及关于桥梁方面作用荷载研究的不断深入，人们更加关注桥梁力学问题的研究。同时，这一系列的问题也推动了我国桥梁力学的发展［1］。同样，桥梁力学的研究成果也使得桥梁设计施工和桥梁管理水平有了相应的提高。在技术不断发展的过程中，桥梁建设的发展与力学研究的发展同样表现出了相辅相成的态势，二者互相促进，相互影响。当然，一系列的桥梁倒塌事故等也告诉人们，理论要和实际密切结合，切不可理论脱离实际。力学原理在桥梁施工及施工监理的过程中同样非常重要［2］。

1 工程概况

大跨度桥梁工程是我国目前比较常用的一种桥型，一般采用的是分阶段悬臂浇筑的建造方法。在施工的时候，从开工一直到完工建成，荷载工况在不断变化，其结构也经过了多次体系的转换。在不断的变化过程中，其内力和变形情况也在不断的变化。因此，施工时候的具体工作状况直接关系到桥梁的线性和内力的状态［3］。由此可知，对大跨度桥梁工程的力学性能进行分析研究，对于更好地进行桥梁建设有着重要意义。本文以贵州省境内沪瑞高速公路的大桥主桥为例分析其力学情况。该大桥的桥身主要是三向预应力混凝土高墩大跨连续钢构桥，主梁选取的是变截面单箱单室截面，主墩采用的是双薄壁结构。具体构架如图1所示。

图1 沪瑞高速公路大桥立面图 单位:m

2 大跨度桥梁施工的力学理论分析

对于桥梁施工的力学分析，一般都是在图纸上完成的，在施工图设计阶段进行受力分析。在现阶段，桥梁在设计建造的时候在逐渐地加大，规模和投资都在扩大，其建造过程中也难免会出现结构等的变化。因此对于桥梁施工阶段的结构分析，有一定的研究意义。

2.1 关于主梁恒载力的力学分析

现阶段，一些大跨度的桥梁，均为大跨径预应力混凝土超静定桥梁，比如:常见的有简支变连续桥、悬臂施工的连续梁桥、连续钢构桥、斜拉桥等。在具体的施工过程中，都是分阶段进行的。因此，对于桥梁的自重，在不同阶段分别加进去计算，并非一步到位。由此可知，在计算桥梁恒载的时候，也需要分阶段计算［4］。将各个阶段的内力进行叠加之后，形成桥梁最终的成桥之后的能力状态。对于本文所选实例，采用平面杆系有限元程序，把主梁离散为152个单元，把其施工过程划分为具体的105个施工阶段，包括桩基、承台、墩身的施工等。施工阶段主梁累积弯矩和一次成桥的弯矩是有明显的差异性的(图2)。对于边墩侧墩身根部的主梁负弯矩，其数值是一次成桥弯矩的两倍多。众多数据表明，一次成桥的成桥内力和施工阶段所产生的累积内力差别是非常大的，在具体设计建造的时候要充分考虑到其结构分析，考虑到施工过程中相应的内力变化和累积内力所产生的影响。

图2 施工阶段累积弯矩和一次成桥弯矩差异性比较

2.2 挠度计算的叠加算法以及挠度和内力力学关系分析

桥梁的挠度计算也是对不同阶段所产生的挠度的叠加，其总值和一次性成桥所产生的挠度值也是有差异的。不同的成桥方式其挠度规律截然不同。施工阶段，其累计挠度能够更准确地体现出桥梁建成以后最终的成桥线形。由此可知，桥梁的施工线形控制需要按照施工阶段累积挠度为依据进行［5］。对于采取悬臂挂篮浇筑施工法，最容易发生的是内力和挠度不相吻合，也就是内力等效的计算方式下算出来的挠度与实际的挠度不一样，挠度不等效，在预计误差范围外。现阶段，对于大跨径的桥梁线形控制，已逐步发展成为施工控制过程中一项非常重要的任务。在桥梁施工过程中，关于其计算图示、计算方法等，都要考虑其实际内力情况，而且要使得挠度计算合乎要求。

2.3 关于混凝土的时变效应力学原理分析

大跨径桥梁在完成桥梁悬臂挂篮浇注施工时，混凝土的加载周期一般是在三天至五天范围内，徐变对桥梁挠度产生的影响是很大的，必须进行分析并采取适当的控制措施。对于公路桥梁的预应力规范，有相关的数值标准，“预应力混凝土受弯构件当需要计算其施工阶段的变形情况时，应该按照构件自重与预应力产生的初始弹性变形乘以相关系数后得出。”标准里面的一些影响因素，比如:材料的组成、结构截面的形状、外界环境的条件等，都要考虑在内。并且根据实际情况，把前期徐变系数较大，而后期徐变系数较小等因素均考虑在内，因此，规范计算相对比较可靠［6］。

2.4 有效预应力作用力学计算分析

大跨度桥梁结构中，预应力的大小受到预加力值和预应力筋的形状两个因素的影响。一般情况下，预加力值包括对构件截面本身具有静定的作用，对一些多余的约束有超静定的作用。在分阶段施工的桥梁建筑过程中，常用到的方法包括外力作用法，等效荷载法以及组合截面法。现阶段，对于预应力效应计算方法的选取，都是在原有的对于小型桥梁建设的基础上进行的，而大跨度的桥梁建设，预应力损失很大，其实际结果与计算结果相差较大。这里面，引起预应力损失的原因是多方面综合影响的结果。在施工时候的日温差对于预应力的损伤有影响，对于施工的精度和施工的最终质量都是有直接影响的。到目前为止，依然存在的问题包括箱梁的早期出现裂缝，日温差对于长悬臂挠度的影响巨大，混凝土的材料质量以及混合程度等也是影响因素。

对于日温差效应的计算，需要首先明确温度在桥梁中的具体分布。一般情况下，沿着桥梁纵向方向，温度的变化是很小的，为一个恒定值。在考虑到多个方面的效果之后，其温度梯度为竖向温度梯度。该温度梯度产生一个次应力，是引发混凝土桥梁发生裂缝危害的主要原因。有时候箱梁水化热，不引起早期裂缝，其发生是在混凝土浇注的早期，而后散去，对工程影响较小。然而，现在的连续钢构桥箱梁早期裂缝已经是一个普遍现象，对混凝土早期应力的分析预防变得很有必要。

随着科技的进步，桥梁建设走过了不同的历程，随着新材料新技术的进步，大跨度桥梁建设也在不断发展。桥梁力学的不断发展和完善，也使得桥梁建设在逐渐完善。对于大跨度桥梁建设，在设计、施工甚至管理方面的进步，是提高大跨度桥梁整建设质量的主要保障。研究大跨度桥梁施工方面的力学理论，对于大跨度桥梁更好的建设，具有重要意义。

3 结语

大跨度桥梁施工目前应用广泛。对于大跨度桥梁工程的质量把握，关系到人们的生命安全，关系到社会的稳步发展。分析其具体的力学理论，对于更好地进行大跨度桥梁施工建设有着十分重要意义。本文从多个方面分析了大跨度桥梁施工中的力学原理，并且给出了一些简要的解决措施。通过本文的研究，能够对该方面的问题给予一些指导。相信在不断的发展过程中，关于该方面的问题会处理得越来越好，关于大跨度桥梁施工质量也会更加完善。■

1 潘多忠.大跨度钢结构施工力学分析及应用研究［D］.华南理工大学，2011.

2 李乔，单德山，卜一之，等.大跨度桥梁施工控制倒拆分析法的闭合条件［C］∥第十七届全国桥梁学术会议论文集(下册).2006.

3 张强.大跨度桥梁施工控制［J］.甘肃科技，2012(09):30-31.

4 刘明志.大跨度连续梁桥施工监控及剪力滞效应研究［D］.湖南大学，2010.

5 宋士新.大跨度连续刚构桥梁施工控制关键问题分析与研究［D］.华南理工大学，2012.

6 郑平伟，钟继卫，汪正兴.大跨度桥梁的施工控制［J］.桥梁建设，2009(10):20-21.