悬臂施工连续刚构拱组合桥边跨合龙设计优化及影响分析

窦国昆,王常峰,李 颖

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

随着我国高速铁路建设的快速发展,桥梁的跨径越来越大,连续刚构拱组合体系桥梁是目前结构比较新颖、发展空间较大的一种桥梁体系．桥梁结构中主梁和桥墩连接处采用固结的方式,使得桥梁结构既保持了连续梁无伸缩缝的特点,同时具有刚构桥不设立支座,行车平顺的特点．连续刚构拱组合体系桥梁,主梁和拱肋刚性连接,共同受力,具有刚度大、抗震性能好的特点[1]．正是由于这些特点,这种新型体系桥梁在实际工程中得到充分利用,在桥梁选型上拥有一定的竞争力．

连续刚构拱组合体系桥梁,在主梁的施工过程中与连续刚构桥施工过程相同,由于桥墩和主梁采用固结的方式,悬臂施工的过程中,不设临时支座,施工过程中不发生体系转换[2]．目前,针对悬臂施工连续刚构桥[3]施工监控的研究较多,对悬臂施工边跨合龙工序[4-6]对结构成桥应力和累计位移的影响的研究较少,刘会球[7]对(48+80+48)m连续梁桥悬臂施工合龙方案进行研究,通过分析施工过程中主桥的挠度和应力变化,得到先边跨合龙、后中跨合龙的合龙顺序为此桥梁悬臂施工的优选方案．陈荣刚[8]以某六跨连续刚构组合梁桥为例,对不同的合龙工序进行研究,得到次边跨对称合龙→边跨对称合龙→中跨对称合龙→体系转换为此桥梁最合理的合龙顺序．刘小燕等[9]运用有限元分析软件模拟野三河大桥施工时合龙方案的调整,通过对不同的合龙方案结构的受力及变形分析,提出了大桥合龙方案,保证了全桥的顺利合龙．淮河特大桥跨淮河(112+228+112)m连续刚构-柔性拱组合结构桥梁,采用桥墩和主梁固结的悬臂施工方式,提出3种不同的边跨合龙工序设计,建立相对应的有限元模型,对比分析不同的边跨合龙顺序对累计位移、梁体应力的影响．

1 工程概况

1.1 主梁结构

淮河特大桥跨淮河(112+228+112)m连续刚构-柔性拱组合结构桥梁,全长453.5 m(含两侧梁端至边支座中心线各0.75 m),主梁为预应力混凝土结构,采用C55混凝土,全桥采用单箱双室变高度箱型截面,中支点梁高14.0 m,中跨跨中及边支点梁高5.5 m,梁底按照1.6次抛物线变化;箱梁顶宽14.2 m,中支点处局部顶宽17.1 m;箱梁底宽11.0 m,中支点处局部底宽14.0 m,典型截面如图1所示．

1.2 拱肋和横撑结构

拱肋采用等高度哑铃型截面,拱肋高3.8 m,弦管外径1.3 m,弦管及缀板内填充C55微膨胀混凝土,2片平行拱肋中心距12.2 m,全桥拱肋共布置11道横撑,箱梁于各吊杆处共设22道吊点横梁,吊点横梁高为1.6 m,横梁厚0.4 m;拱的计算跨径L=220 m,矢高f=44.0 m,矢跨比f/L=1/5,拱轴线为二次抛物线,拱肋和横撑的截面形式如图2所示．

1.3 主梁节段划分

全桥采用“先梁后拱”法施工,主梁悬灌施工,拱肋于桥面拼装后竖向转体施工,由于全桥顺桥向为轴对称结构,故仅列出一半主梁节段图,主梁节段划分如图3所示．

2 参数敏感性分析

桥梁结构累计位移和施工中的预拱度值受到很多不同参数的影响[10-11],这些设计参数的变化会导致桥梁实际位移与理论位移产生误差．通过对参数进行敏感性分析,根据各个参数对线形监控的影响程度,可以优化边跨合龙的顺序,提高线形控制的精度．

利用有限元软件建立计算模型,全桥共划分为444个单元,400个节点,其中主梁采用238个单元,桥墩采用32个单元,拱肋采用30个单元,吊杆采用44个单元,桥墩与主梁之间、主梁与拱肋之间的固结采用的是共用节点的方式处理,计算模型如图4所示．选择对连续刚构拱桥累计位移有影响的代表性设计参数(结构自重、混凝土弹性模量、张拉预应力效应)进行分析,在原设计参数的基础上,将设计参数增大10%,分析各个参数的影响程度,分析结果如图5所示．

对比分析对称悬臂最大阶段、主梁合龙完成阶段、全桥施工完成阶段、收缩徐变10年后,4个阶段设计参数对主梁累计位移的影响,由图5可以看出,对比原设计参数结果,设计参数的变化没有改变主梁累计位移的变化趋势,混凝土的容重增大使主梁总体下移,预应力效应和弹性模量增大使主梁累计位移总体上移,其中混凝土容重和预应力效应对主梁累计位移影响较大,因此,针对混凝土容重和预应力效应对主梁累计位移的影响,调整混凝土的浇筑和预应力的张拉顺序,对比分析主梁累计位移和应力,提出3种边跨合龙顺序,优化连续刚构拱桥施工工序．

3 施工工序

本桥为连续刚构-柔性拱组合结构桥梁,294号墩及295号墩大小里程侧的悬臂块段不对称,在对称悬臂施工中跨K1—K22、边跨K1’—K22’梁段后,针对该桥的实际情况,不改变该桥先边跨后中跨的合龙顺序,仅修改K23梁段和边跨现浇段的浇筑顺序,提出如表1中3种不同的施工工序.

表1 合龙方案施工工序Tab.1 Closure scheme construction procedure

4 对比分析结果

4.1 主梁累计位移

对于桥梁结构,在施工过程中需要根据累计位移设置预拱度[12],以使得最终成桥线形满足运营要求.因此,通过合理的合龙施工工序,减小合龙口两端的累计位移差,减小施工过程中产生的累计位移量,能够大大降低线形监控中预拱度的设置和预测的难度．为此,对比3种施工工序在边跨合龙阶段累计位移,K23梁段浇筑后累计位移,以及成桥后主梁累计位移,分析得到最优的施工工序,不同工序的主梁累计位移如图6所示．

由图6(a)可见,浇筑边跨合龙段阶段,在边跨位置,3种不同的施工工序竖向累计位移差别不大,在K22’梁段端部位置累计位移差值最大为0.5 cm,在中跨位置,由于工序二和工序三在浇筑边跨合龙段阶段,同时浇筑中跨K23梁段,而工序一在此阶段中跨K23梁段还未施工,故对比中跨K22梁段端部,由于K23梁段的自重影响,工序二和工序三竖向累计位移明显大于工序一,累计位移差值最大为7.37 cm．

由图6(b)可见,在边跨合龙完成且中跨K23梁段浇筑后,3种施工工序达到相同的施工状态,在边跨位置,工序一竖向累计位移小于工序二和工序三,累计位移差值最大为2.58 cm,在中跨位置,竖向累计位移差别不大,悬臂累计位移差值最大为1.5 cm．

由图6(c)和图6(d)可见,在中跨合龙阶段,全桥主梁部分施工完成,3种不同的施工工序竖向累计位移仅在中跨K23梁段端部存在较大差别,累计位移差值最大为2.4 cm,对比图6(b)可见,此位移差值在中跨K23梁段施工后已经产生,在后续的施工过程中,累计位移的差值一直存在.综上所述,工序一的累计位移最小,有利于减小此桥的预拱度设置和降低线形控制的难度,以此提高施工线形控制的精度．

4.2 主梁累计应力

主梁累计应力验算,选取结构关键截面[13]:(1)主梁左边支座处、(2)主梁左边跨L/4截面、(3)主梁左边跨L/2截面、(4)主梁左边跨3L/4截面、(5)294#墩墩顶左截面、(6)294#墩墩顶中心截面、(7)294#墩墩顶右截面、(8)主梁中跨L/8截面、(9)主梁中跨L/4截面、(10)主梁中跨3L/8截面、(11)主梁中跨L/2截面、(12)主梁中跨5L/8截面、(13)主梁中跨3L/4截面、(14)主梁中跨7L/8截面、(15)295#墩墩顶左截面、(16)295#墩墩顶中心截面、(17)295#墩墩顶右截面、(18)主梁右边跨L/4截面、(19)主梁右边跨L/2截面、(20)主梁右边跨3L/4截面、(21)主梁右边支座处,不同工序的主梁累计应力如图7所示．

由图7可见,本桥采用C55混凝土,3种施工工序都可以满足《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)关于在运送及安装阶段,混凝土最大拉应力不超过0.80fct=0.8×3.30=2.64 MPa、最大压应力不大于0.80fc=0.8×37.0=29.6 MPa的规定．在全桥施工结束,吊杆终张拉完成以后,3种工序主梁关键截面上下缘应力几乎相同,最大的应力差值仅为0.1 MPa;成桥收缩徐变3年后,3种工序施工的桥梁主梁关键截面最大应力差仅为0.06 MPa,可以看出3种不同的边跨合龙次序均能满足施工过程中应力要求,不同的工序对最终成桥应力影响不大,仅影响结构施工过程中的阶段应力．

5 结 论

对淮河特大桥跨淮河(112+228+112)m连续刚构-柔性拱组合结构桥梁进行了边跨合龙优化设计并建立对应的有限元模型,对比分析了不同的边跨合龙设计对梁体应力、累计位移的影响,主要结论如下:

(1)最终成桥主梁累计位移的变化趋势与边跨合龙顺序设计关联性不大,但是,工序二在先浇筑K23梁段,后合龙边跨的施工工序,工序三同时浇筑K23梁段和边跨现浇段的施工工序,这2种工序一方面会影响中跨合龙预拱度的设置,另一方面对于K23梁段,相对于工序一,边跨合龙时产生的位移会对K23梁段产生影响,增加施工线形控制难度．根据3种不同施工工序对比分析,工序一先边跨合龙,后悬臂施工中跨后续梁段的方法,无需配重,累计位移较小,施工线形控制更为方便,为此类桥梁边跨合龙的优选方案．

(2)3种边跨合龙工序均能满足施工过程中应力要求,在全桥施工完成和收缩徐变3年后,主梁关键截面上下缘应力几乎相同,3种施工工序对比说明边跨合龙次序对最终成桥的主梁应力影响不显著,仅对施工过程中阶段应力存在影响,在合理的施工工艺保障下,主梁的最终成桥应力值主要取决于其结构特性,与边跨合龙顺序无关．