基于线形控制的山区大跨度刚构桥合龙方案研究

潘　文

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳　414000)



基于线形控制的山区大跨度刚构桥合龙方案研究

潘文

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳414000)

针对山区连续刚构桥边跨现浇段施工时，地形条件不利于支架施工的特点，为减小边跨现浇段长度，提出4个不对称悬臂施工合龙方案。以某山区(72+120+72)m高墩刚构桥为例建立仿真模型，分析不同合龙方案条件下的结构变形特点，探讨山区大跨度刚构桥各个合龙方案的适应性。结果表明：4个合龙方案施工和运营阶段应力均满足规范要求；边跨线形调整值随着不对称悬浇段的增大而增大，且先合龙中跨有利于减小边跨悬臂端挠度；施工和成桥阶段最大挠度值和最大上拱值随不对称悬臂浇注长度的增大有增大的趋势；补充张拉箱梁顶板束和先合龙边跨均会导致中跨跨中位置的徐变上拱值增大；根据地形条件选择合适的不对称悬臂施工合龙方案，可有效减小边跨支架现浇段长度，为山区刚构桥设计施工提供参考。

；山区桥梁；刚构桥；线形控制；不对称悬臂施工；合龙方案

0　引言

刚构桥具有跨越能力强、悬臂施工受地形影响小等特点，为我国山区高速公路建设做出了巨大贡献。常规刚构桥均采用对称悬臂浇注，支架现浇边跨部分梁段，合龙边跨再合龙中跨成桥[1，2]，而山区线路高差大、地形陡峻，山区刚构桥边跨支架施工难度大且极不利于施工安全控制。

从以人为本的角度出发，为改善施工人员的工作环境，保证职业健康安全，宜减小或取消边跨现浇段支架，改用墩顶托架现浇施工。受墩顶托架承重量限制，在边中跨比不变的情况下，需通过增设不对称悬臂浇注段以减小边跨现浇段长度。

陈荣刚[3]针对福州绕城高速某6跨连续刚构桥的合龙次序及体系转换顺序进行研究，确定其最优合龙方案；陈列[4]针对山区铁路桥梁的结构选型进行研究，对比分析了连续梁和连续刚构桥的适应性及其合龙顺序；戴公连[5]研究了铁路连续梁不同合龙方案下的变形特性，指出先边跨后中跨的合龙方案变形控制量最小。现有研究主要针对刚构桥先边跨合龙和先中跨合龙的方案对比分析，而对于山区高墩刚构桥边跨地形不利于支架搭设[6-10]，需不对称悬臂浇注一定长度后再合龙边跨的方案研究仍较为匮乏。

为探明不对称悬臂浇注条件下刚构桥的变形特性，以某山区高速公路(72+120+72)m刚构桥为例，提出4种不对称悬浇合龙方案，基于线形控制角度对各合龙方案进行对比，为同类桥梁合龙方案及线形控制提供参考。

1　工程概况

某山区高速公路谷架桥主桥采用(72+120+72)m的刚构桥结构形式，其总体布置见图1。

图1　桥型布置图(单位；m)

桥面宽度12 m，采用单箱单室箱形截面。箱梁支点梁高7.0 m，跨中梁高3.1 m，典型断面型式如图2所示。箱梁顶板厚0.28 m，底板宽度为6.5 m，厚度由跨中至支点变化为0.32～0.70 m。箱梁梁高和底板厚度均按2次抛物线变化。箱梁采用直腹板，其厚度由跨中至支点依次为0.40～0.55～0.70 m。在主墩墩顶设置4道1.2 m厚横隔板，跨中设1道0.4 m厚隔板，两边跨梁端分别设1道1.2 m厚横隔板。

主墩采用双肢薄壁空心高墩，其中2#墩墩高98.6 m，3#墩墩高101.3 m；边墩采用空心墩，1#墩和4#墩墩高分别为65.5 m和67.2 m，边跨位于较陡的边坡上，搭设支架困难。

图2　主梁典型截面(单位；cm)

2　刚构桥合龙方案

2.1常规合龙方案

跨度布置为(72+120+72)m的刚构桥常规施工步骤为：将箱梁单个T构分为18段浇筑，0#梁段长13.0 m，两侧1#～17#梁段分段为(3×2.5+8×3.0+6×3.5)m，边跨现浇段长11.0 m；边跨和中跨合龙段长均为2.0 m。

主桥在2#、3#主墩两个T构上对称悬臂现浇施工，除0#梁段采用搭设托架浇筑完成外，1#～17#梁段均采用挂篮对称悬浇，两边跨现浇段采用搭设支架浇筑。全桥合龙顺序为：先合龙边跨，再合龙中跨。

2.2不对称悬臂合龙方案

针对山区刚构桥高边墩、陡峻地形等特点，为减小边跨现浇段长度，提出4种不对称悬臂施工合龙方案：

先合龙中跨，边跨不对称悬臂浇注18#块，再合龙边跨(方案1)；先合龙中跨，边跨不对称悬臂浇注18#、19#块，再合龙边跨(方案2)；边跨不对称悬臂浇注18#块，合龙边跨，再合龙中跨(方案3)；边跨不对称悬臂浇注18#、19#块，合龙边跨，再合龙中跨(方案4)。

方案1和方案3不对称悬臂施工3.5 m，并张拉18#节段顶板束2根，边跨现浇段长为7.5 m；方案2和方案4不对称悬臂施工(2×3.5)m，并张拉18#、19#节段顶板束各2根，边跨现浇段长为4.0 m。各方案的边、中跨合龙段长度均为2.0 m。

刚构桥施工过程中，针对不同的悬臂施工方案，分别采取相应的压重措施，保证T构两侧不对称荷载不大于200 kN，各合龙方案的施工荷载见表1。

表1 刚构桥不对称悬臂浇注配重方案编号配重方案方案1中跨合龙边跨压重1290kN,边跨合龙中跨压重2410kN方案2中跨合龙边跨压重1290kN,悬浇19#块中跨压重1260kN,边跨合龙中跨压重2410kN方案3悬浇18#块中跨压重1260kN,边跨合龙中跨压重2410kN方案4悬浇18#块中跨压重1260kN,悬浇19#块中跨压重2520kN,边跨合龙中跨压重3670kN

2.3仿真模型

考虑自重、预应力、施工荷载、二期恒载和收缩徐变等对结构的影响，采用梁单元模拟主梁和桥墩，基于桥梁博士软件建立刚构桥施工仿真模型。对应施工节段划分及各个方案合龙段位置，将主梁划分为98个单元；2#、3#主墩分别划分为18个单元，忽略桩基和承台的变形，1#、4#边墩采用边界条件模拟；在2#、3#主墩T构上分别设置2个挂篮，每个挂篮采用2个单元模拟。

总体有限元计算模型如图3所示。桥面铺装等二期恒载按45 kN/m取值，横隔板采用集中力进行加载。

图3　全桥有限元模型

3　合龙方案对比研究

3.1施工和运营阶段应力

基于4个不同的刚构桥合龙方案仿真模型，计算不同合龙方案条件下的施工和运营阶段应力，主要结果列于表2和表3。

表2 施工阶段应力验算编号施工阶段最大(小)正应力/MPa施工阶段最大(小)主应力/MPa方案112.5(-0.417)12.5(-1.30)方案212.9(-0.416)12.9(-1.20)方案312.5(-0.539)12.5(-1.35)方案413.2(-0.910)13.2(-1.73) 注:表中数据以受拉为负,受压为正,下同。

表3 运营阶段应力验算编号运营阶段最大(小)正应力/MPa运营阶段最大(小)主应力/MPa方案114.6(0.126)16.2(-0.950)方案215.2(0.0185)16.7(-0.941)方案314.4(0.264)16.0(-0.946)方案415.0(-0.535)16.0(-1.020)

由表2和表3中数据可知，方案1～方案3的应力值相差较小，方案4施工阶段和运营阶段的拉应力值明显大于前3个方案，各项应力值均满足规范要求，结构具有足够的安全系数。在桥梁满足安全性要求的前提下，对各个合龙方案对应的施工和成桥阶段的累计变形进行对比分析。

3.2施工及成桥阶段变形

由于合龙施工顺序不同，且预应力束随悬浇段长度不同而略有区别，各个合龙方案的合龙前挠度不尽相等。为保证成桥线形，施工时需对立模标高进行调整，而该调整值的大小由合龙前的悬臂端累计位移决定。

各方案合龙前的悬臂端挠度如图4所示，边跨合龙前的挠度整体大于中跨合龙前的挠度，方案1和方案2在中跨合龙前悬臂端挠度明显大于方案3和方案4；而边跨合龙前方案1的挠度最小，方案4的挠度最大。综合考虑中跨和边跨合龙前挠度，线形调整的难度以方案1最小，方案3次之，方案2和方案4的调整难度均较大。

图4　各方案合龙前悬臂端挠度

分析各合龙方案条件下施工阶段和成桥阶段的挠度变化规律，并将挠度最值列于表4，挠度值以向下为负。

表4 施工和成桥阶段挠度编号施工阶段最大(小)挠度/mm成桥阶段最大(小)挠度/mm方案1-91.6(51.61)-96.7(32.21)方案2-121.1(65.97)-126.1(46.58)方案3-97.7(38.46)-101.3(23.63)方案4-132.7(40.03)-116.3(25.92)

表4数据可知，随着不对称悬臂浇注长度的增大，施工和成桥阶段最大挠度值均明显增大，最大上拱值亦有增大的趋势。

先合龙中跨的方案1和方案2施工阶段最大挠度小于对应不对称悬浇长度的先合龙边跨方案，而其上拱值则大于先边跨合龙方案。施工阶段方案4的线形较为不利，挠度值比方案1～方案3分别高44.92%、9.58%和35.89%。

方案1成桥阶段的最大挠度值为96.7 mm，为4个方案中最小，分别为方案2的76.7%，方案3的95.5%，方案4的83.1%。成桥后方案2的线形最为不利，其挠度值和上拱值均大于其余方案。

3.3收缩徐变变形

混凝土的收缩徐变效应引起桥梁结构的变形，并具有明显的时间依存特性，对结构的影响不容忽视[11]。一般地，收缩徐变在前10 a对结构变形的影响较大[3，12]，基于刚构桥施工仿真模型，对应各个施工阶段的时长，考虑成桥后10 a的收缩徐变，分析各个合龙方案的变形。

各合龙方案对应的收缩徐变变形如图5所示，4个方案的变形趋势一致，最大徐变上拱值出现在中跨跨中位置，最大挠度则出现在边跨跨中附近。方案4中跨跨中上拱值明显大于其他方案，而方案1上拱值最小。

图5　10 a收缩徐变变形

究其原因，首先方案4和方案2不对称悬浇段补充张拉4根顶板束，而方案1和方案3均只补充张拉了2根顶板束，影响中跨的上拱值；其次，方案2和方案3的上拱值相近，表明先合龙边跨的方案的跨中上拱值比先合龙中跨的方案大，其影响幅度与预应力束相当。

4　结论

本文针对山区刚构桥的特点，提出4个不对称悬臂合龙方案，基于线形控制角度对比分析各方案，并得到以下结论：

1) 4个合龙方案各个施工阶段和成桥运营阶段的正应力和主应力均满足规范要求，结构具有足够的安全系数。

2) 随着不对称悬臂浇注长度的增大，边跨线形需要调整的幅度越大，且先合龙中跨有利于减小边跨悬臂端挠度。

3) 施工和成桥阶段最大挠度值和最大上拱值随不对称悬臂浇注长度的增大有增大的趋势，且先合龙边跨有利于控制施工和成桥阶段的梁体上拱。

4) 补充张拉箱梁顶板束和先合龙边跨均会导致中跨跨中位置的徐变上拱值增大，二者对中跨上拱值的影响相当。

山区刚构桥4个合龙方案的对比分析表明不对称悬臂施工越长，施工线形控制越复杂。在条件允许的情况下，宜尽量采用先合龙中跨后不对称悬浇较短长度的梁段，再合龙边跨成桥。

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2016-08-02

潘文(1981-)，男，工程师，主要从事路桥建设与管理。

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