悬浇过程中主梁标高变更对连续梁桥受力性能的影响分析

方 龚

（福州海峡建设发展有限责任公司，福州 350000）

1 前言

近年来， 预应力混凝土连续梁桥广泛地运用在实际工程中，它具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单以及抗震性能优等特点[1]。 大跨径连续梁桥施工通常采用悬臂浇筑， 该施工方法充分利用了预应力混凝土承受负弯矩能力强的特点， 提高了桥梁的跨越能力[2]。 和支架施工法桥梁一次成型不同，悬臂浇筑经历多个施工阶段， 后续的施工过程会影响之前已浇筑节段的标高， 悬臂浇筑施工方法的难点在于控制实际高程同设计高程一致。

倘若施工过程遇到某些特殊情况临时变更接线工程的设计标高，则需要对桥梁的设计标高进行相应调整。当设计变更后的标高与原先设计相比相差较大时， 会导致施工过程中主梁的悬臂两侧不对称。既有研究表明，悬臂两侧不对称施工对于桥梁有着多方面的影响。

为此， 本文以一座悬浇施工过程中主梁设计标高发生变更的连续梁桥为对象， 采用有限元分析方法研究主梁设计标高变更对临时支座、临时锚固结构，以及施工与成桥阶段主梁受力性能与安全性的影响， 可为今后类似桥梁的设计与施工提供参考。

2 工程概况

2.1 总体布置

本文工程背景为一座新建的连续梁桥， 大桥主桥位于福州市西郊，跨越闽江北港。 背景桥梁分双幅布置，左右幅孔跨布置均为 （2×32.5）m+（72+132+72）m+（45+2×40）m。 其中，主桥为（72+132+72）m 的预应力混凝土空腹式连续梁。 下部结构采用板式墩，群桩基础。 大桥总体布置如图1 所示。

图1 桥梁总体布置图

2.2 临时支座与临时锚固结构

大桥3# 及4# 桥墩沿纵桥向每侧各有1 个临时支座，单个临时支座的尺寸为100cm×1550cm，采用C50 混凝土，见图2（a）。 悬浇施工过程中，每个临时支座中配置12 根Φ32 精轧螺纹钢用于临时锚固桥墩与主梁结构。精轧螺纹钢筋标准强度为785MPa， 每根张拉控制力为434kN，临时锚固构造见下图2（b）与（c）。

2.3 设计标高变更方案

图2 临时支座与临时锚固构造图

主桥采用悬臂施工， 悬臂浇筑部分的混凝土主梁共分15 个节段，边跨设置支架现浇段。 主桥合龙顺序为先进行边跨合龙，后进行中跨合龙。 主梁右幅桥3# 墩完成0#～7# 节段施工，4# 墩完成0#～9# 节段施工时，由于特殊原因需要降低小里程侧（2# 墩侧）的接线高程0.153m，见图3 与图4。

由于背景桥梁仅对小里程侧主梁设计标高进行调整，是否会对桥梁临时支座、临时锚固，以及施工与成桥阶段主梁的受力性能与安全性产生影响，需要进行分析。

图3 主梁设计标高变更时施工进度示意图

图4 设计标高调整示意图

3 有限元模型

3.1 全桥模型建立

为对比分析悬浇施工过程中设计标高变化对桥梁结构受力性能的影响， 根据背景桥梁主桥的桥型布置与结构构造特点， 本文采用MIDAS/Civil 软件建立有限元模型，对结构进行受力分析。

本文背景桥梁的有限元模型见图5， 大桥各构件均采用梁单元模拟， 全桥共847 个节点，808 个梁单元，其中主梁单元100 个，主墩单元76 个。在有限元模型中，通过更改高程变更梁段对应的节点坐标来实现对主梁设计高程调整的模拟。 模型中充分考虑了施工及成桥阶段下桥梁各部分结构刚度的模拟和各种荷载的作用过程。

有限元模型的主要材料有C55 混凝土、Strand1860预应力钢绞线，其材料基本参数按照规范进行取值。有限元模型考虑的永久荷载主要包括混凝土梁自重、预应力、混凝土收缩及徐变二期恒载等； 考虑的可变荷载主要包括移动荷载、体系温度荷载、梯度温度等；考虑的施工阶段荷载主要包括挂篮荷载、施工临时荷载等。

图5 有限元模型

3.2 临时支座与锚固结构模型建立

本文将临时支座的混凝土结构沿竖向划分成11 个单元，这些单元通过横向联系连接整体，横向联系的刚度按照刚度等效的原理求得。 临时支座的混凝土分别与桥墩和主梁结构刚性连接。 临时锚固用的精轧螺纹钢筋与对应位置的混凝土刚性连接， 并也与桥墩和主梁结构刚性连接。 模型见图6。

图6 有限元临时锚固模型

临时固结处于最不利受力状态时， 应分别计算平衡荷载与不平衡荷载工况下临时固结的受力状况。因此，不平衡荷载工况下， 临时固结除了考虑上文3.1 节中所提到的荷载外，还考虑了混凝土不对称浇筑、一侧挂篮移动时动力效应、一侧混凝土超打等荷载作用。

4 主梁设计标高变更影响分析

4.1 对临时支座与锚固结构的影响

本文根据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004） 的规定， 对主梁设计标高变更前、后的临时支座混凝土进行了强度验算，其中，最大悬臂施工阶段3 号墩处靠2 号墩处的临时支座混凝土应力验算结果见图7。 从图7 中可以看出：主梁设计标高变更对临时支座混凝土应力影响较小，变更前、后临时支座混凝土应力分别为-2.08MPa 和-2.16MPa，均小于0.7fck′=-24.85MPa，满足要求。

图7 主梁设计标高变更对临时支座应力的影响

本文根据 《预应力用混凝土精轧螺纹钢筋》（GB/T 20065-2006）的规定，对主梁设计标高变更前、后临时锚固的精轧螺纹钢筋进行强度验算。其中，最大悬臂施工阶段3 号墩处靠4 号墩处临时锚固的精扎螺纹钢应力验算结果见图8。 从图8 中可以看出：主梁设计标高变更对临时支座混凝土应力影响较小， 变更后精轧螺纹钢筋最大法向正应力为-128MPa，小于-785MPa，满足要求。

图8 主梁设计标高变更对临时锚固结构应力的影响

4.2 对施工阶段主梁受力性能的影响

4.2.1 施工预拱度

桥梁悬臂施工中， 要确保桥梁结构能达到设计要求的线形，需要合理确定每一待浇节段的预拱度，其中，施工预拱度是悬浇桥梁总预拱度的重要组成部分。因此，本文采用有限元方法分析主梁设计标高变化前后对的施工预拱度的影响。

图9 为主梁设计标高调整前后的施工预拱度计算结果。 从图9 中可以看出：主梁设计高程调整前、后施工预拱度差值最大为0.31mm，表明主梁设计高程调整对施工预拱度的影响较小。结合现场的实际情况，同时考虑到预施工主梁节段与已施工主梁节段施工预拱度的连续性，故洪山桥2 号墩～3 号墩之间8#～17# 节段的施工预拱度仍可按调整前的施工预拱度进行取值。因此，背景桥梁设计标高的变化对于桥梁线形的平顺度调整影响很小，可保证桥梁行车舒适性。

图9 主梁标高调整对施工预拱度的影响

4.2.2 主梁受力性能

本文分析了各施工阶段下主梁设计标高变更对主梁内力与应力的影响， 现仅以最大悬臂施工阶段和主跨合龙阶段为例， 介绍主梁设计标高变更对主梁弯矩与应力的影响，见图10 与图11。 从图10 与图11 中可以看出：最大悬臂施工阶段下，主梁设计标高变更前后，主梁最大弯矩分别为88927kN·m 和89022kN·m，主梁最大应力分别是-9.82MPa 和-9.87MPa；中跨合龙阶段下，主梁设计标高变更前后， 主梁最大弯矩分别为42325kN·m 和42981kN·m，主梁最大应力分别是-9.50MPa 和-9.65MPa。因此， 主梁设计标高变化前后主梁应力最大变化量为-0.15MPa，悬浇过程中主梁设计标高的变化不会对背景桥梁结构的安全性产生影响。

4.2.3 主梁稳定性

悬浇施工过程中， 主梁设计标高的变化可能对主梁的稳定性产生影响， 且对最大悬臂施工阶段主梁的稳定性影响最大。 为此，本文分析了最大悬臂施工阶段下，设计标高变化前后主梁的稳定性。 设计标高变化前后主梁的失稳形态一致，均为图12 所示，弹性稳定系数分别为2465 和2374，均满足大于4 的要求。

图10 主梁标高调整对最大悬臂阶段主梁受力的影响

图11 主梁标高调整对中跨合龙阶段主梁受力的影响

图12 最大悬臂阶段主梁整体弹性失稳形态

4.3 对成桥阶段主梁受力性能的影响

主梁设计标高变更对成桥阶段主梁弯矩与应力的影响见图13。 从图13 中可以看出： 主梁设计标高变更前后， 成桥阶段主梁最大弯矩分别为63599kN·m 和65901kN·m，主梁最大应力分别是-9.76MPa 和-9.83MPa，主梁设计标高变化前后主梁应力最大变化量为-0.07MPa，因此主梁设计标高的变化不会对背景桥梁成桥阶段的安全性产生影响。

图13 主梁标高调整对成桥阶段主梁受力的影响

5 结论

本文采用有限元分析方法， 研究了悬浇施工过程中主梁设计标高调整对临时锚固结构、临时支座，以及施工阶段与成桥阶段主梁受力性能的影响， 主要得到以下结论，可为今后类似桥梁的设计与施工提供参考：

（1） 悬浇过程中主梁设计标高变更对临时支座与临时锚固结构应力的影响较小， 变更后临时支座混凝土与临时锚固钢筋的应力分别为-2.16MPa 和-128MPa， 满足要求。

（2） 主梁设计标高变更对施工阶段主梁受力性能的影响分析表明：设计标高变更前后，主梁施工预拱度的最大差值为0.31mm， 主梁应力最大变化量为-0.15MPa，主梁稳定系数分别为2465 和2374； 设计标高变化对背景桥梁施工阶段主梁受力性能的影响较小。

（3） 主梁设计标高变更对成桥阶段主梁受力性能的影响分析表明： 设计标高变更前后， 主梁弯矩由63599kN·m 增大至65901kN·m，主梁应力由-9.76MPa 增大至-9.83MPa； 设计标高变化对背景桥梁成桥阶段主梁受力性能的影响较小。