大跨径连续梁桥主桥合拢段力学特性的研究

张俊玲， 陈品明， 叶 斌

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004； 2.浙江省宏途交通建设有限公司， 浙江 杭州 310051；3.浙江交工路桥建设有限公司， 浙江 杭州 310051)

大跨径连续梁桥主桥合拢段力学特性的研究

张俊玲1， 陈品明2， 叶 斌3

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004； 2.浙江省宏途交通建设有限公司， 浙江 杭州 310051；3.浙江交工路桥建设有限公司， 浙江 杭州 310051)

大跨径连续梁桥与连续刚构桥梁普遍使用挂篮悬浇法施工，但仍存在很多需注意的施工细节，其施工技术、包括施工管理的完善，对一座大桥的顺利建成发挥着举足轻重的作用。通过分析该连续梁桥施工方法，运用有限元软件建立中跨合拢段的三维数值模型进行应力变化规律的研究，同时把实时监控数据与模型计算结果做对比，验证了计算结果的正确性，为以后类似桥梁合拢段施工受力分析和监控量测提供参考。

连续梁桥； 大跨径； 主桥合拢段； 力学特性； 施工监控

0 引言

对于大跨径连续梁桥与连续刚构桥梁，普遍使用挂篮悬浇法施工。一般挂篮悬臂浇筑施工行程中，预应力混凝土连续梁桥主桥合拢段施工工艺极其复杂、工序稠密，施工困难偏大，对施工技术与施工质量的要求较高，这也成为了近年来国内外学者重点研究的问题。

目前，国内外已有不少专家学者对连续梁桥合拢段施工工艺和力学特性进行了研究，并取得了显著的科研成果。邵光强[1]对预应力混凝土连续箱梁桥施工阶段的合拢段进行了受力分析，并研究了合拢段区域构造优化；张隆顺[2]利用有限元软件对大跨长联连续梁桥合拢段进行了优化，研究了顶板底板纵横向预应力钢筋的张拉顺序，提出了一种合拢段两侧悬臂无龄期差的优化方案；陈荣刚[3]等介绍了桥梁合拢段的施工，有限元法计算得到了施工预拱度和主梁内力，并进行了参数敏感性分析；程华龙、林洁海[4]通过计算分析、现场监测、参数识别、模型修正、控制立模标高等手段，确保桥梁成桥线形及受力状态符合设计要求；刘建楼[5]通过模型计算结果和现场实测数据的对比分析，研究了箱梁0#块与合拢段施工过程中应力变化规律，得出最易出现裂缝的区域；阿卜杜拉[6]根据现有设计规范和经验拟定参数建立计算模型，计算分析全桥的内力与变形情况，得出不同合拢方案对桥梁线形及挠度变形的影响。

1 工程案例

该桥全长862.7 m，大桥桥梁桩号K4+776.5，主桥上部采用(50+80+80+50)m四跨单箱双幅混凝土变截面连续梁，由上下行分离的两个单箱单室截面组成(见图1)。

箱梁为三向预应力结构，分为纵向预应力束、横向预应力束和竖向预应力筋，边中跨底板束采用先长后短对称均匀张拉。腹板束采用15Φs15.2钢绞线，顶板悬臂束采用12Φs15.2钢绞线，顶底板合拢束采用9Φs15.2钢绞线，纵向预应力钢束锚下控制应力为1 339.2 MPa。横向预应力束采用3Φs15.2钢绞线，单束张拉力585.9 kN。腹板竖向预应力筋采用张拉力JL930直径32的精轧螺纹钢，张拉力673.1 kN。张拉采用引伸量与张拉力双控，以张拉力控制为主，张拉时混凝土龄期不少于10 d。预应力筋管道摩擦系数μ=0.17，管道偏差系数k=0.001 5。临时固结用JL930直径32的精轧螺纹钢，张拉力374 kN。

图1 主桥立面、横断面图(单位： cm)

2 合拢段施工方案

2.1 合拢段施工总体方案

该主桥是四跨预应力混凝土连续梁结构，主跨80 m，悬臂长39 m，其施工要经历“T”形悬臂浇筑节段形成主梁的过程，有4个合拢段，要经历多次体系转换的过程(由对称的单“T”静定结构转变为超静定结构)，主梁的内力和线形都会随施工的进展而不断变化。2个中跨合拢段不同的合拢顺序会影响主桥成桥后的线形和受力状态，故应严格按照设计预订的合拢顺序进行施工控制。主桥行车道铺装为防水层+12 cm沥青混凝土，由于桥面铺装无调平层，故对主桥箱梁顶板的平整度有严格的要求。该桥悬臂浇筑结束后施工总体方案合拢如下：

1) 9#块浇筑结束后拆除挂篮，安装边跨及中跨合拢吊架；

2) 边跨合拢浇筑；

3) 合拢段混凝土达到设计要求强度后进行边跨合拢钢束张拉；

4) 边跨合拢段施工完毕后解除临时支座，完成单“T”构转换为单臂静定梁；

5) 体系转化完成后，先进行9#、10#墩间中跨合拢施工，解除临时支架；

6) 最后进行8#、9#墩间中跨合拢施工。

2.2 合拢前施工流程

施工桩基础、承台、桥墩，安装支架现浇主墩墩顶0#块，墩梁临时固结，张拉0#块纵向预应力束，张拉横向预应力钢束和竖向预应力筋，并分批灌浆；在0#节段上安装挂篮，预压，立模，悬臂浇筑1#、1′#、1″#块，砼达到90%设计强度后依次张拉纵向预应力钢束及横向、竖向预应力筋，并分批灌浆；挂篮前移一个节段，立模，悬臂浇筑2#、2′#、2″#块，砼达到90%设计强度后依次张拉纵向预应力钢束及横向、竖向预应力筋，并分批灌浆；重复以上步骤，对称平衡施工3#～9#块、3′#～9′#块和3″#～9″#块，施工最后一个悬浇块时同时支架浇筑边跨现浇段；将两边跨挂篮改为吊架，安装边跨合拢段吊架后浇筑边跨合拢段混凝土，混凝土达到90%设计强度后依次张拉边跨合拢段顶、底板束及横、竖向预应力筋，并分批灌浆；拆除边跨支架及8#、10#主墩临时固结，将第10孔挂篮改为吊架，安装第10孔合拢段吊架后浇筑合拢段混凝土，混凝土达到90%设计强度后依次张拉纵向预应力钢束及横、竖向预应力筋；拆除第10孔吊架及9#墩临时固结，将第9孔挂篮改为吊架，安装第9孔合拢段吊架后浇筑合拢段混凝土，混凝土达到90%设计强度后依次张拉纵向预应力钢束及横、竖向预应力筋；拆除第9孔合拢吊架，完成体系转换；施工桥面系，成桥。

3 数值模拟计算

3.1 理论计算模型的建立

该连续梁桥大桥利用《桥梁博士》V3.2软件进行计算分析，对主桥上部结构建立结构离散模型，采用平面梁单元进行建模，桥梁约束条件、作用荷载均依据实际工程情况输入。同时对设计图反映的内容，对主桥总体结构搭建能反映施工荷载的有限元模型，对该桥全面加以正装分析，从而得出各阶段共划分了88个单元，89个节点，如图2所示。

图2 大桥计算模型

3.2 计算参数

3.2.1 材料参数

混凝土材料：JTG04(RC)C50，容重26 kN/m3。收缩徐变按新规范附录规定方法计算。 预应力材料：钢绞线标准抗拉强度1 860 MPa，E=1.95×105MPa，松弛系数2.5%。管道摩擦系数u=0.17，管道偏差影响系数K=0.001 5，单个锚具弹性回缩量6 mm。锚下张拉控制应力为1 339.2 MPa。

3.2.2 作用效应

结构自重：按设计图纸提供的结构尺寸计算构件自重，并在施工阶段计算中按50 t重考虑挂篮临时荷载作用。

二期恒载：包括桥面铺装、防撞护栏等重量，合计51.60 kN/m。活载：公路-Ⅰ级，按三车道计，根据规范规定考虑横向折减，人群荷载按2.85 kN/m2计。基础不均匀沉降：1.0 cm。体系变温：升温20 ℃，降温-28 ℃。温差：按JTG D60-2004第4.3.10条取用，按100 mm沥青混凝土铺装层计。对以上作用效应按规范要求进行组合，验算桥梁结构在各种不利效应组合下是否满足规范要求。

3.3 计算结果

按A类预应力构件计算，正常使用作用短期效应组合下截面上、下缘正应力如图3、图4(其中正表示拉应力、负表示压应力，以后类同)，计算结果表明，截面下缘均受压，上缘有最大拉应力0.909 MPa，小于规范控制值0.7ftk=1.855 MPa，满足规范要求；正常使用荷载长期效应组合下截面上、下缘均受压，无拉应力，满足规范要求。

图3 短期效应组合截面总体正应力示意图(单位： MPa)

图4 长期效应组合截面总体正应力(单位： MPa)

当计入0.6倍竖向预应力的情况下，短期效应组合下斜截面抗裂验算主拉应力计算结果如图5所示。有最大主拉应力1.231 MPa，小于规范控制值0.5ftk=1.325 MPa，满足规范要求。

图5 计竖向预应力时短期效应组合截面主拉应力(单位： MPa)

按规范要求，对预应力混凝土受弯构件，计算其使用阶段正截面混凝土法向压应力和斜截面混凝土的主压应力，计算结果如图6和图7。正截面最大法向压应力11.682 MPa，<0.5fck(16.2 MPa)，满足规范要求；斜截面最大主压应力11.682 MPa，<0.6fck(19.4 MPa)，满足规范要求。

图6 主梁截面混凝土法向压应力最大包络图(单位： MPa)

图7 主梁截面混凝土最大主压应力(单位： MPa)

3.3.1 持久状况承载能力极限状态验算结果

按规范要求对预应力混凝土受弯构件进行抗弯承载能力验算，正截面抗弯承载能力包络图如图8所示，截面抗弯承载力满足规范要求。

图8 正截面抗弯最大、最小抗力及对应内力图 (单位： kN·m)

3.3.2 短暂状况构件应力验算结果

施工阶段主梁最大压应力包络图如图9，最大压应力为11.531 MPa，出现在主跨跨中下缘，小于规范允许值22.68 MPa(0.7fck′)；施工阶段最不利拉应力包络图如图10，施工过程最大拉应力为0.325 MPa，小于规范允许值1.86 MPa(0.7ftk′)。桥梁构件在施工阶段应力满足规范要求。

图9 施工阶段主梁最大压应力包络图(单位： MPa)

图10 施工阶段主梁最少拉应力包络图(单位： MPa)

3.3.3 挠度验算

正常使用荷载短期效应组合下桥梁结构最大竖向位移如图11所示。短期效应组合下跨中最大下挠6.9 cm，C50砼挠度长期增长系数取1.425，结构自重在中跨跨中产生的长期挠度为向下7.6 cm，则按照规范规定计算方法，消除结构自重产生的长期挠度后该梁式桥的最大挠度为(6.9×1.425-7.6) cm=2.2 cm，小于L/600=8 000 cm/600=13.3 cm，满足规范要求。

图11 主梁短期荷载效应组合下最大竖向位移(单位： m)

3.4 预拱度设置

规范中对于预应力混凝土受弯构件预拱度设置规定如下：当预加应力的长期反拱值小于按荷载短期效应组合计算的长期挠度时应设置预拱度，其值应按该项荷载的挠度值与预加应力的长期反拱值之差采用。结合本桥施工仿真计算结果，考虑实际混凝土收缩、徐变与预应力损失等现象，并借鉴国内同类桥梁常规做法，另设置30 mm的长期预拱度以减小运营期下挠的影响，具体预拱度从主墩墩顶0按2次抛物线过渡到中跨跨中截面的30 mm。

3.5 支座选型复核

经计算，主墩和过渡墩支反力分项列于表1(每个支点处横桥向有2个支座)，表中节点号对应桥博计算模型中图2所示的节点号。由计算结果可见，主墩支座选22.5GD(DX、SX)满足要求，过渡墩支座选4DX(SX)满足要求。

表1 主墩和边墩支反力计算结果kN支点位置恒载汽车最大汽车最小单支座最大支反力主墩19324003610-61737500/245332003770-38838700/271323003610-61637500/2过渡墩8843101910-5917080/2243201900-5917090/2

4 监控值与理论值对比

针对该桥的特点，认为施工监控首先须对其进行详细的事前预测分析，即在施工前对施工方案进行研究和分析，准确模拟施工过程，确定施工过程中的关键点，从宏观上把握全过程的安全和稳定。针对合拢加以应力监控，主要是监控合拢段箱梁内顺桥向以及梁内顺桥向的应力分布工况。针对中跨合拢段进行阐述，应力计算布置断面如图12其中数字为应力计算编号，另外编号106、260为2个应力计算为横桥向布置外，其他均为顺桥向布置。

图12 中跨合拢段应力计布置断面

合拢段箱梁应力监控测试结果见表2。

表2 应力监控测试结果MPa测点编号张拉后第1次第2次第3次拆除模后557100513001071113652710161168930978220960176714511512260-132-168-145-152662745454553424215967262340183154542660555597106-230-251-207-202117879970832916102726820777793

根据以上来分析，对施工工况，读取张拉完合拢束后的第1次实测读数值，以及数值模型应力理论计算值加以对比，如图13所示，中跨合拢段应力理论值和监控值比较结果说明。

根据图13得出，两者应力监控与理论值曲线的变化迹象呈一致，分析结果比较靠近，同时实测

图13 中跨应力理论值与监控值对比

数据结果较大、较小应力和理论数据结果计算值得出位置基本一样，这就表明了数值模拟的计算结果是可靠的，具有一定的参考意义。

5 结束语

本文通过分析该连续梁桥施工方法，运用有限

元软件建立中跨合拢段的三维数值模型进行分析得出不同荷载效应组合下桥梁合拢段应力及位移的变化规律，同时把实时监控数据与模型计算结果做对比验证了计算结果的正确性，为以后类似桥梁合拢段施工受力分析和监控量测提供了参考。

[1] 邵光强.PC连续箱梁合拢段受力分析及构造优化[D].南京：东南大学，2009.

[2] 张隆顺.大跨长联连续梁桥合拢方案研究[D].长沙：中南大学，2012.

[3] 陈荣刚.闽江特大桥施工监控对策研究与分析[J].公路，2015(7).

[4] 程华龙，林洁海.预应力混凝土连续梁桥挂篮施工控制与研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2015(8).

[5] 刘建楼.预应力混凝土连续梁桥0#块与合拢段应力分析[D].西安：长安大学，2005.

[6] 阿卜杜拉.预应力混凝土连续梁桥的力学特性与关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2014.

1008-844X(2016)04-0121-04

U 448.21+5

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