某桥梁工程项目主桥合拢段力学性能分析

侯 杰

（贵州大通路桥工程建设有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

挂篮悬浇从连续桥桥墩0#块对称推进，可最大限度确保下部净空通行，在普通连续梁桥和连续刚构桥施工中广泛应用。其中节段合拢施工是挂篮悬浇施工重难点，其施工工艺复杂，施工精度要求高，控制难度大，非常考验现场监控测量技术能力[1-3]。为提高桥梁合拢段挂篮悬浇技术水平，该文以实体工程为依托，展开合拢段力学性能分析，可为后续施工提供数据支撑。

1 工程概况

某桥梁设计跨径862.7 m，主桥为四跨预应力钢筋混凝土连续梁桥，跨径组合为（50+80+80+50）m。箱梁设计采用纵向、横向、竖向预应力钢束形成三向预应力体系，刚腹板、悬臂顶板、节段合拢板钢绞线规格分别为15Φs15.2钢绞线、12φs15.2钢绞线、9Φs15.2钢绞线，纵向预应力张拉应力为1 339.2 MPa。

2 合拢段施工方案

桥梁主桥跨径为80 m，悬臂段长39 m，中跨合拢段施工流程如下：

（1）依次浇筑桩基础、承台、桥墩、支撑架、主墩墩顶0#块；施作墩顶临时固定，0#块纵向、横向、竖向预应力张拉，按批次进行孔道灌浆作业[4-5]。

（2）按挂篮安装规程完成0#块挂篮安装，开展预压作业，消除非弹性变形，安装模板，进行1#、1’#、1”#块悬臂浇筑施工；混凝土养护至设计强度90%，开展预应力张拉施工，按批次开展孔道灌浆作业。

（3）前移挂篮，安装下一施工节段模板，开展2#、2’#、2”#块悬臂浇筑施工，养护至设计强度90%，开展预应力张拉施工，并分批次进行孔道灌浆作业。

（4）按上述作业流程，依次对称施作3#～9#块、3’#～9’#块和3”#～9”#块悬臂现浇、构件养护、预应力施工、孔道灌浆作业，9#块、9’#块、9”#块悬臂浇筑施工时，同时完成边跨的现浇段浇筑施工。

（5）节段合拢施工前，将挂篮体系转换为合拢吊架，浇筑边跨合拢段混凝土，养护至设计强度90%，开展剩余预应力张拉施工，并分批次开展孔道灌浆作业。

（6）拆除边跨、8#、10#主墩支架及临时固定，第10孔合拢段施工前，将其挂篮转换为施工吊架，进行第10孔合拢段浇筑施工，混凝土养护至设计强度90%时，依次开展纵向、横向、竖向预应力施工。

（7）拆除第10孔施工吊架、9#墩临时固定，第9孔施工前，将其施工挂篮转换为合拢吊架，进行第9孔合拢段混凝土浇筑作业，养护至设计强度90%时，开展预应力施工及孔道灌浆作业[6-7]。

（8）铺装桥面，成桥验收。

3 数值模拟计算

3.1 理论计算模型的建立

运用桥梁博士V3.2建立桥梁上部结构有限元模型，模型单元选用梁单元，按照各部件实际约束情况、桥梁上部结构荷载受力情况，设置各构件约束条件、桥梁上部结构荷载。在满足桥梁上部结构尺寸参数、性能参数、荷载分布、约束条件的前提下，适当简化实体模型，提高模型计算收敛效率。所建立桥梁上部结构有限元模型共计88个梁单元，89个节点，见图1。

图1 大桥计算模型（单位：cm）

3.2 计算参数

3.2.1 材料参数

（1）混凝土：C50混凝土，容重为26 kN/m3。

（2）预应力钢束：预应力钢绞线抗拉强度标准值1 860 MPa，弹性模量为E=1.95×105MPa，应力松弛系数为2.5%。

（3）波纹管：位置偏差系数K=0.001 5，摩阻力系数u=0.17。

（4）锚具下预应力张拉应力值1 339.2 MPa，单个预应力锚具回缩值6 mm。

3.2.2 作用效应

（1）结构自重：依据设计图纸标定的各结构构件尺寸、材质桥梁上部结构自重，施工阶段荷载以50 t标准计算。

（2）二期恒载：桥面系铺装、防排水系统、防撞系统、照明系统等，总计：51.60 kN/m。

（3）活荷载：桥面公路设计等级为Ⅰ级，车道为三车道，根据《桥规》规定，活载取2.85 kN/m2。

（4）桥墩基础不均匀沉降值：1.0 cm。

（5）结构体系温度变化：升温20 ℃，降温-28 ℃。

3.3 计算结果

3.3.1 短期效应组合截面总体正应力验算

桥梁主梁按预应力混凝土A类构件计算，在桥梁常规服役状态下，桥梁短期效应组合对应主梁截面上下缘应力。桥梁主梁下缘为受拉区，截面上缘为受拉区，最大拉应力为0.909 MPa≤0.7ftk=1.855 MPa，符合现行《桥规》控制值要求；常规服役状态下，长期效应组合对应主梁截面上下缘均为负应力，也符合《桥规》要求。

3.3.2 计竖向预应力时短期效应组合截面主拉应力

在0.6倍的竖向预应力条件下，短期效应组合对应斜截面最大抗裂强度，可算得最大主拉应力值为1.231 MPa≤0.5ftk=1.325 MPa，符合现行《桥规》指标要求。

3.3.3 主梁截面混凝土最大主压应力验算

桥梁服役状态下，预应力钢筋混凝土主梁为受弯构件，其最大正截面混凝土法向压应力为11.682 MPa，低于《桥规》中预应力钢筋混凝土受弯构件控制值0.5fck=16.2 MPa，满足规范要求；其斜截面最大主压应力值为11.682 MPa，低于《桥规》指标控制值0.6fck=19.4 MPa，满足规范要求[8-9]。

3.3.4 持久状况承载能力极限状态验算结果

桥梁持久状况承载力性能为预应力钢筋混凝土受弯构件抗弯性能，根据现行《桥规》要求校验构件抗弯性能，得到构件正截面抗弯承载力包络图见图2。由图2可知，构件正截面抗弯性能符合规范要求。

图2 正截面抗弯最大、小抗力及对应内力图（单位： kN*m）

3.3.5 短暂状况构件应力验算结果

根据桥梁主梁压应力最大值包络图，施工阶段主梁最大压应力值出现在主梁跨中下部，最大值为11.531 MPa≤0.7fck’=22.68 MPa，满足《桥规》要求。

3.3.6 挠度验算

桥梁主梁在短期效应组合下，跨中最大挠度为6.9 cm，根据《桥规》给定计算公式，可算得该大桥主梁挠度最大值为（6.9×1.425-7.6）=2.2 cm，低于《桥规》指标控制值L/600=8 000/600=13.3 cm，符合《桥规》指标控制要求。

3.4 预拱度设置

分别计算预应力作用下主梁长期反拱值、主梁荷载短期效应组合应对预拱度度值，比对所得主梁反拱值、预拱度值大小，若主梁预拱度值大于反拱值，则预拱值取荷载挠度值与长期反拱值之差。

在模型仿真值基础上，考虑主梁混凝土收缩徐变及预应力损失等因素，主梁长期预拱在理论值的基础上额外增加30 mm，消除桥梁服役期挠度影响。

4 监控值与理论值对比

（1）案例桥梁主桥为钢筋混凝土连续梁桥，为保证桥梁监控量测准确性，需提前分析桥梁应力变化特点，强化控制节点处施工监控。合拢段应力计设置截面见图3，图中数字为应力计编号，其中106～260号应力计监测所在截面横桥向应力，其他编号应力计监控所在截面顺桥向应力。

图3 中跨合拢段应力计布置断面

（2）合拢段箱梁应力监控结果见表1。

表1 应力监控测量结论数据 /MPa

（3）整理中跨合拢段有限元模型计算理论值、现场监控值，得到案例桥梁中跨应力理论值与监控值对比图见图4。

图4 中跨应力理论值与监控值对比

由图4可知，中跨合拢段各监测截面应力测试值与理论值变化曲线基本吻合，中跨段节点断面检测数据变化规律一致，表明所建立桥梁上部结构有限元模型可准确反映桥梁应力变化特征，可用于指导施工。

5 结论

综上所述，普通连续梁桥、连续刚构桥主桥合拢段中跨合拢施工流程、受力特性等，对主桥成桥后的桥体线形、承载力性能、承载状态等均具有重要影响。该文通过建立桥梁有限元模型，得到了桥梁在不同荷载效应组合下的应力变化规律，明确了桥梁施工质量控制关键点，并运用现场施工监测数据验证了模型计算的可靠性，可为后续桥梁合拢段施工监测提供借鉴。