连续刚构桥边跨现浇段施工方案对比研究

作者简介：黄柳雪（1987—），工程师，研究方向：公路工程。

摘要：文章以某连续刚构桥边跨现浇段施工工程为研究背景，通过运用有限元软件建立连续刚构桥施工和运营两个阶段分析模型，并针对三种不同边跨现浇段施工方案的施工特点、受力状态以及变形机理展开对比分析。结果表明：边墩托架现浇法（方案一）和墩顶吊架现浇法（方案二）在两个阶段主梁的受力状态、应力变形以及成桥线型变化机理基本一致;无边跨现浇段施工法（方案三）在两个阶段的主梁应力变形与方案一和方案二大致相同，在主梁受力状态和成桥线型方面要优于方案一和方案二。研究成果证明了无边跨现浇段施工方法在连续刚构桥边跨现浇段施工中的可行性和适用性。

关键词：连续刚构桥;边跨现浇段;施工方案;受力状态

中国分类号：U445.57A421534

0 引言

桥梁工程中常见的边跨施工方法有边跨托架法、墩顶吊架法以及落地支架法等，但由于受到地形条件、桥梁跨径以及桥梁高度等因素的影响，传统的边跨施工方法逐渐无法适应特殊桥梁的设计要求，因此深入研究特殊桥梁边跨的施工方法具有重要意义[1-2]。

目前，国内外对桥梁边跨现浇段施工方法展开了大量研究[3]。[CS]如朱忠民等[4]提出了采用挂篮配合盖梁支架施工的新方法，通过数值模拟分析了新老施工方案桥梁施工过程箱梁应力与变形，证明了新施工方法的可行性。赵建祥等[5]验证了在山区复杂的地形地势、过渡墩较高的情况下，采用边跨现浇段非对称施工的可行性以及优良效益。 宋宝起[6]针对不对称悬臂施工对梁体累计位移的影响进行参数分析，根据分析结果对施工过程中的线形控制重点提出了建议。[CS]陈颖[7]总结了边跨直线段钢管支架法施工的技术要点，为今后同类工程的施工提供一定参考。李世艺[8]介绍了连续刚构桥边跨现浇段贝雷支架法的设计与施工技术，并通过贝雷支架受力验算，验证了该桥贝雷支架法施工的合理性。由于地形条件的差异性，经优化设计后的传统边跨施工方法对于许多高桥墩和长跨径桥梁依然存在一定的局限性。基于此，本文提出了一种新的连续刚构桥边跨现浇段施工方法，并针对施工特点、受力状态以及变形机理与两种传统边跨施工方法进行了比较，论证了无边跨现浇段施工的可行性和适用性，可为今后类似桥梁工程边跨施工研究提供借鉴。

1 工程简介

本文以某三跨预应力混凝土结构连续刚构桥为施工案例，该桥布置跨径为（85+160+85） m，桥面宽18.5 m，桥面铺装采用沥青混凝土，车道设计为双向四车道，荷载等级为公路Ⅰ级。该桥上部结构箱梁由两个“T”构组成，单个“T”构悬臂节段分为19个梁段进行现浇，其中0#梁段采用托架施工方法，现浇长度为10 m，悬臂梁段采用挂篮逐块对称浇筑的施工方法，1#～4#单个梁段现浇长度为3 m，5#～7#梁段为3.5 m，8#～12#梁段为4 m，13#～19#梁段为4.5 m，累计悬臂长度为74 m。边跨现浇段采用边墩托架现浇施工方法，现浇长度为4.82 m，3个合龙段现浇长度共计6 m。桥梁立面布置如图1所示。

2 施工方案设计

2.1 施工方法

连续刚构桥边跨直线段常用的施工方法主要有边墩托架现浇法和墩顶吊架现浇法，两种施工方法的技术水平和设计研究已经相当成熟，且在桥梁工程中得到了广泛应用。本文为优化连续刚构桥边跨现浇段施工方法，提出了一种新的边跨现浇段施工设计方案，即无边跨现浇段施工法，通过对比分析该方案与两种传统方案的施工特点以及受力和变形机理证明该方案的可靠性和适用性。三种方案具体施工工序如下：

方案一（边墩托架现浇法）：（1）布置墩顶托架完成0#块节段浇筑;（2）采用挂篮悬臂逐块对称浇筑悬臂梁段，依次张拉对应预应力钢束;（3）在边墩搭设托架完成边跨直线段浇筑;（4）按先边跨后中跨的顺序依次合龙，并在合龙段张拉对应预应力钢束;（5）完成桥面铺装，全桥施工完成。

方案二（墩顶吊架现浇法）：（1）悬臂梁段浇筑与方案一相同;（2）先中跨合龙，并搭设边跨吊架;（3）完成边跨直线段与中跨合龙段浇筑，并在合龙段张拉对应预应力钢束;（4）合龙边跨后将吊架移除，并对全桥进行合龙;（5）完成桥面铺装，全桥施工完成。

方案三（无边跨现浇段施工法）：（1）悬臂梁段浇筑与方案一相同;（2）搭设合龙吊架，完成中跨合龙;（3）边跨挂篮向前推进完成下一节段浇筑，并张拉对应预应力钢束;（4）边跨挂篮向前推进完成边墩墩顶节段浇筑，并张拉对应预应力钢束，对全桥进行合龙;（5）完成桥面铺装，全桥施工完成。

3 施工特点

根据对不同边跨施工方案的工艺和工序内容的分析，从不同角度对三种施工方法的施工特点进行了综合评估，结果如表1所示。

通过对比三种施工方案的施工特点可知，连续刚构桥采用无边跨现浇法施工操作更为简单，设计工艺相对成熟，无须搭设其他辅助设备;施工成本较低，无须增加其他施工材料;成桥时间快，施工工期较短。经综合分析，采用无边跨现浇法施工相对于其他两种施工方法更适合该刚构桥边跨现浇段施工。[JP]

4 建立模型

通過运用有限元软件Midas Civil建立连续刚构桥数值模型，分别模拟采用三种施工方案进行边跨现浇段施工过程，模型中共包含191个单元，其中主梁单元95个，桥墩单元96个。全桥有限元模型如图2所示。

模型中主梁和桥墩均采用梁单元模拟，上部结构主梁箱梁材料采用C55混凝土，下部结构桥墩材料采用C50混凝土，预应力钢束采用标准强度为1  860 MPa的低松弛高强度钢绞线。计算分析时荷载作用主要考虑结构自重、人群活载;温度荷载作用考虑整体升降温±15  ℃;支座不均匀沉降取值-1 cm;收缩徐变作用按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTC D62-2004）要求考虑未来运营十年的影响。混凝土及预应力钢绞线材料参数分别如表2、表3所示。

5 结果与分析

为研究不同施工方案对连续刚构桥受力和变形的影响，通过运用数值分析软件模拟三种边跨现浇段施工方案成桥过程，并针对施工阶段和运营阶段连续刚构桥主梁关键截面的受力及变形的变化规律进行对比分析。主梁关键截面单元号如图3所示。

5.1 施工阶段主梁受力及变形分析

5.1.1 挠度分析

三种边跨施工方案在施工阶段的主梁关键控制截面挠度变化曲线如图4所示。

根据图4可知，三种施工方案中主梁梁端节点挠度值相同，采用边跨施工方案一和方案二在施工阶段主梁各关键截面挠度变化趋势基本保持一致，这说明两种施工工艺较为成熟的边跨施工方法对主梁挠度的影响较小。采用方案三的主梁各关键截面挠度变化整体大于方案一和方案二，其中方案三靠近边墩节点和跨中节点挠度值相对较大，这对于主梁结构线性要求是有利的，因此无边跨施工方案对于桥梁线型而言相对较优。

5.1.2 应力分析

三种边跨施工方案在施工阶段的主梁关键控制截面上、下缘应力变化曲线如图5所示。

根据图5可知，三种施工方案在施工阶段主梁上、下缘各关键节点均受压应力作用，不同边跨施工方案中主梁上缘压应力变化趨势基本一致，除跨中节点方案二和方案三主梁受到的压应力稍大于方案一外，三种施工方案的主梁下缘应力整体变化趋势大致相似，其中方案一在靠近边跨节点和跨中节点主梁下缘受到的压应力存在一定差值，但相差不大。由此可知，三种边跨施工方案对施工阶段主梁应力的影响不大。[JP]

5.1.3弯矩分析

三种边跨施工方案在施工阶段的主梁关键控制截面弯矩变化曲线如图6所示。

根据图6可知，三种边跨施工方案在施工阶段主梁各关键节点弯矩变化趋势大致相似，基本沿主梁跨中节点呈对称分布，这说明采用三种方案施工桥梁均处于受力平衡状态，其中方案三主梁跨中节点弯矩值要比方案一和方案二大。由于主梁跨中截面弯矩较大有利于桥梁整体受力平衡，因此采用无边跨现浇段施工对于桥梁受力要优于方案一和方案二。

5.2 运营阶段主梁受力及变形分析

5.2.1 挠度分析

通过模拟三种边跨施工方案运营过程，并针对运营十年后主梁关键控制截面挠度变化情况进行对比分析，结果如图7所示。

根据图7可知，在运营阶段三种施工方案主梁挠度值均以跨中节点为中心呈对称分布，采用边跨施工方案一和方案二时，主梁各关键截面挠度变化趋势基本保持一致，方案三的主梁各关键截面挠度变化整体大于方案一和方案二，其中方案三靠近边墩节点和跨中节点挠度值相对较大，这对于主梁结构线性要求是有利的，因此无边跨施工方案对于运营阶段桥梁线型而言相对较优。

5.2.2 应力分析

通过模拟三种边跨施工方案运营过程，并针对运营十年后主梁关键控制截面应力变化情况进行对比分析，结果如图8所示。

根据图8可知，在运营阶段三种施工方案主梁上、下缘各关键节点均受压应力作用，不同边跨施工方案主梁上缘压应力变化趋势基本一致，除跨中节点方案二和方案三主梁受到的压应力稍大于方案一外，三种施工方案的主梁下缘应力整体变化趋势大致相似。其中，方案一在靠近边跨节点和跨中节点主梁下缘受到的压应力存在一定差值，但相差不大。由此可知，三种边跨施工方案对施工阶段主梁应力的影响不大。

5.2.3 弯矩分析

通过模拟三种边跨施工方案运营过程，并针对运营十年后主梁关键控制截面弯矩变化情况进行对比分析，结果如图9所示。

根据图9可知，在运营阶段三种边跨施工方案在主梁各关键节点弯矩变化趋势大致相似，基本沿主梁跨中节点呈对称分布，说明采用三种方案施工在运营阶段桥梁仍处于受力平衡状态，其中方案三主梁跨中节点弯矩值要比方案一和方案二大，因此采用无边跨现浇段施工对于运营阶段桥梁受力要优于方案一和方案二。

6 结语

本文提出了一种连续刚构桥新的边跨现浇段施工方法，并针对施工特点与两种施工工艺较为成熟的施工方法进行了比较，论证了无边跨现浇段施工的可行性和适用性。同时，采用数值模拟的方法，对比分析了三种边跨施工方案连续刚构桥主梁受力和变形的变化规律，得到以下主要结论：在施工阶段和运营阶段，边跨施工方案一和方案二主梁的受力状态、应力变形以及成桥线型变化机基本一致，方案三在这两个阶段的主梁应力变形与方案一和方案二大致相同，但在主梁受力状态和成桥线型方面要优于方案一和方案二。研究成果可为类似连桥梁工程边跨现浇段施工设计提供参考。

参考文献：

[1]张春新，胡 军，谢红跃.武汉青山长江公路大桥主桥边跨结合梁施工技术[J].桥梁建设，2019，49（1）：1-6.

[2]李春跃.桥墩钢模板在连续梁边跨现浇段支架中的应用[J].建筑技术，2017，48（6）：642-644.

[3]黄宗茂.浅谈挂篮在连续梁边跨施工中的应用[J].建材与装饰，2019（13）：247-248.

[4]朱忠民，卢治国，姚吉友，等.高墩刚构桥边跨挂篮配合盖梁支架施工法及施工阶段受力分析[J].公路工程，2017，42（4）：191-193，203.

[5]赵建祥，张 虎.高墩刚构桥边跨现浇段非对称施工技术研究[J].中外公路，2017，37（2）：121-125.

[6]宋宝起.非对称悬臂施工大跨度连续刚构桥设计研究[J].铁道标准设计，2017，61（4）：70-74.

[7]陈 颖.浅谈高墩连续钢构桥边跨直线段钢管支架法施工技术[J].四川水泥，2018（11）：113-114.

[8]李世艺.贝雷支架法在连续刚构桥边跨现浇段施工中的应用[J].西部交通科技，2018（5）：109-112.

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