高墩大跨连续刚构桥施工周期差对线形控制影响

梁 超，郝旅飞，何延龙

（中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710038）

0 引言

连续刚构桥墩梁固结且主梁连续，同时具有连续梁和T型刚构的受力特点，具有行车平顺、便于悬臂施工和抗震性能良好等优点[1]。西部山区，公路沿线地质条件复杂多变，而高墩大跨连续刚构桥具有很强的跨越能力且投资较低，在西部高等级公路建设中得到广泛的应用[2]。高墩大跨径连续刚构桥梁通常采用悬臂施工法，需经历复杂的施工过程以及结构体系转换过程，施工过程中受各种因素的随机影响，会导致建成的实际结构状况和理想状况存在偏差，因此在施工过程中对桥梁进行线形控制十分重要[3-4]。

对于多跨连续梁桥的悬臂施工，在设计时都是按各个悬臂段同时施工[5]，实际施工过程中由于大型施工设备的运输困难或地质条件不良，可能会造成各桥墩之间施工进度不一样，即存在施工周期差。通常在进行线形控制时不考虑施工周期差带来的影响，本文以新庄特大桥为例，分析了桥墩间施工周期差对线形的影响程度，为同类桥梁的施工控制提供参考。

1 桥梁概况

新庄特大桥位于新庄乡新庄村，中心桩号为ZK10+486，桥梁全长1096 m。本桥单幅桥桥宽12 m，主桥上部采用预应力混凝土悬臂浇筑连续刚构，最大桥面高度178 m主桥共8个悬浇T构，每个T构施工过程中共分24个梁段。主墩采用变截面空心薄壁墩，最大墩高165 m。过渡墩采用等截面空心墩，基础采用桩基础。

引桥上部采用预应力混凝土连续T梁，最大墩高约69 m，桥墩采用圆柱墩、空心薄壁墩，基础采用桩基础；桥台采用重力台、扩大基础。本桥位于直线、圆曲线及缓和曲线上，桥梁跨径按道路设计线布置，桥梁墩台径向布设。桥梁立面布置见图1。

图1 新庄特大桥立面布置图（单位：cm）

2 高墩大跨度连续刚构桥线形控制方法

2.1 施工控制分析方法

施工控制的分析的方法主要有：正装计算法、倒装计算法和无应力状态法[6]。

新庄特大桥采用悬臂施工方法，施工过程需要考虑与时间相关的混凝土收缩徐变和预应力损失。单独使用倒装计算法很难考虑与时间相关的因素，通过倒装和正装两种方法的交替迭代计算，可以更好的分析混凝土收缩徐变的影响[7]。

2.2 立模标高计算

施工时模板的放样标高即立模标高。控制立模标高是控制线形最有效的手段，立模标高采用的计算公式如下：

式中：Hilm为待浇梁段前端挂篮底模板标高；Hisj为待浇梁段前端底板设计标高 (由设计单位提供)；fy为本梁段预拱度，fy=fc+fs，其中，fc为本梁段成桥预拱度，fs为本梁段施工预拱度（包括恒载、预应力、混凝土收缩徐变、施工荷载引起的挠度）；ft为立模标高调整值。

根据多年来工程实践知，目前我国跨中成桥预拱度值一般取L/1000-L/1500（中孔跨径），边孔最大挠度一般发生在3/4L处，约为中孔最大挠度的1/4。

施工预拱度的计算公式如下：

式中：fs为施工预拱度；fgi为挂篮弹性变形值，由挂篮设计和预压得知；fxi为混凝土收缩徐变对i阶段的影响；fki为1/2静活载在i阶段产生的挠度；Σfzi为各梁段自重在i阶段产生的挠度；Σfyi为张拉预应力对i节段挠度的影响。

3 有限元模型建立

使用MIDAS/CIVIL建立新庄特大桥的有限元模型。计算模型根据施工图纸中悬臂施工梁段的划分、梁段的长度、每个支点的位置、截面的尺寸、梁顶和梁底的变化曲线等控制因素将主梁划分为240个单元。模型根据实际施工情况，定义27个施工阶段。计算荷载包括结构自重、预应力荷载、挂篮荷载和混凝土湿重。有限元模型见图2。

图2 新庄特大桥有限元模型

桥墩下端设置为固结，预应力箱型梁两端设置成沿桥梁方向的滚动支座。为了使桥墩和预应力箱型梁在连接位置有相同的位移，使用弹性连接中连接类型选项中的刚性连接将其连接起来，边界条件设置见图3。

图3 有限元模型边界条件

4 施工周期差对桥梁线形的影响

新庄特大桥施工过程中，7号墩处的地质情况复杂，工期较其他桥墩延误较大。7号墩封顶时，施工最快的8号墩已经完成封顶253d，存在较大的施工周期差。本节将分析桥墩间施工周期差对桥梁施工预拱度和合龙段梁端挠度的影响。

4.1 计算工况设置

在MIDAS/CIVIL中可以通过添加时间荷载的方式来模拟各墩之间存在的施工周期差。时间荷载添加在8、9、10号墩上，可以模拟7号墩相对于8、9、10号墩施工进度的延误。

为分析不同时长的施工周期差对线形的影响，共设置以下5种工况：

工况一：不添加时间荷载；

工况二：8、9、10号墩添加30 d时间荷载；

工况三：8、9、10号墩添加60 d时间荷载；

工况四：8、9、10号墩添加180 d时间荷载；

工况五：8、9、10号墩添加365 d时间荷载。

4.2 各工况施工预拱度对比

设置施工预拱度是为了消除施工过程中各种荷载对桥梁线形产生的影响。计算施工预拱度需要计算各个施工阶段的挠度值。本节的施工预拱度计算采用绝对挠度法，也就是只考虑各梁段在立模以后产生的挠度，各梁段之间挠度相互独立。

运用MIDAS/CIVIL有限元软件,查看最后一个施工阶段在所有施工荷载（CS:合计）下的变形值，变形值的相反数即为施工预拱度。各工况下的桥梁施工预拱度对比见图4。

图4 各工况施工预拱度对比

从图4中可以看出，施工预拱度的图形在各桥墩墩顶的位置有突变，这是因为0号块的变形与墩顶变形保持一致。施工预拱度从1号块到20号块在逐渐增大，这是因为悬臂浇筑过程中已完成的结构不仅要承受一期恒载还要承受施工荷载，随着悬臂的延伸，结构所受荷载不断的增大，相应的总变形值也变大。20号块后施工预拱度值又快速减小，这是因为端部的预应力引起的反拱值较大。

随着施工周期差的增大，8、9、10号墩悬臂的施工预拱度也在增大，说明施工周期差对线形控制有一定程度的影响。

与无施工周期差的工况一相比，不同施工周期差下8、9、10号墩悬臂的施工预拱度相差的极值见图5。

图5 施工预拱度相差极值

从图5中可以看出，随着施工周期差的增大，施工预拱度相差的极值也在增大。在施工周期差较小时，差异并不明显，在施工周期差较大时，施工预拱度存在较明显的差异。施工周期差达到365d时，8、9、10号墩悬臂的施工预拱度分别最大相差3.85 mm、4.25 mm和7.02 mm。8、9号墩悬臂的施工预拱度受施工周期差的影响较小，10号墩施工预拱度受施工周期差的影响较大。

4.3 各工况合龙段梁端挠度差值

最大悬臂状态的梁端挠度会影响到桥梁的合龙。新庄特大桥7号墩施工延误，为分析施工周期差对7号墩悬臂和8号墩悬臂之间合拢的影响，运用Midas有限元软件计算各工况下7号墩与8号墩合龙前的梁端挠度差值，计算结果见图6。

图6 7号墩与8号墩合龙段梁端挠度差值

从图6中可以看出7号墩和8号墩合龙前梁端挠度的差值随着施工周期差的增大而增大，施工周期差达到365d时，合龙前梁端挠度的差值增大了3.13 mm。

5 施工周期差对墩顶变形的影响

5.1 不同施工周期差时的墩顶变形

桥墩间的施工周期差对墩顶变形有较大的影响，本节将分析8、9、10号墩在所有施工荷载作用下，不同施工周期差时的墩顶变形。计算工况的设置与第4节中相同。8、9、10号墩在不同施工周期差下的墩顶变形见图7。

图7 墩顶变形

从图7可以看出，随着施工周期差的增大，8、9、10号墩的墩顶变形也在增大。在施工周期差较小时，墩顶变形增大的不明显，在施工周期差达到180 d后，墩顶变形的差距变得明显。8、9、10号墩的墩顶变形受施工周期差影响的程度不同，这与各墩的高度差异有关。8、9、10号墩墩高分别为152 m、165 m和87 m。

5.2 不同作用下的墩顶变形

为研究施工周期差带来的墩顶变形差异是由哪些作用导致的，以8号墩作为分析对象，分析不同施工周期差时，在自重、收缩和徐变作用下的墩顶变形见图8。

图8 不同作用下墩顶变形图

从图8可以看出，施工周期差主要影响的是收缩和徐变作用下的墩顶变形，而对自重作用下的墩顶变化无影响。即使施工周期差为0 d时，也存在很多的徐变和收缩变形，这是因为收缩徐变在混凝土龄期较低时进展较快，在桥墩封顶时，大部分的徐变已经完成。

6 结 语

本文通过分析新庄特大桥各桥墩间施工周期差对线形控制的影响，得出如下结论：

（1）各墩间存在施工周期差时，施工进度快的悬浇T构应设置更大的施工预拱度；

（2）施工周期差会增大合龙段梁端挠度差值，给桥梁合拢带来不利影响；

（3）施工周期差对线形的影响，随着时间差的增大而增大，但增大的趋势在逐渐变缓。在施工周期差较小时，其对线形的影响可忽略不计，为简化施工监控可不考虑其影响。