悬臂现浇连续箱梁施工阶段变形与应力分析

高典，王跃飞，李俊，赵弘宇，张海歌

（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 引言

随着桥梁工程施工设备的发展，预应力混凝土连续梁桥因其适用性强、力学性能好等优势被广泛应用在大跨度桥梁建设中，极大地提高了施工效率和质量。悬臂浇筑和悬臂拼装是目前主要的悬臂施工方法。

目前，预应力混凝土连续梁桥施工技术日渐成熟，悬臂施工相关的研究也逐渐增加。钟志彬[1]、牛文[2]对挂篮现浇的临时固结、悬臂现浇、合龙段三大关键阶段的施工方法进行了分析；窦文林[3]、刘东霞等[4]通过数值模拟方法，对桥梁施工过程进行了分析研究；朱嘉等[5]对挂篮进行了施工过程监测和模拟分析；马克诚[6]、刘喜辉等[7]对悬臂挂篮施工的现场监测技术进行了研究，科学合理的监控量测可以对施工管理和控制提供有效支持；朱江[8]对甘草店宛川河特大桥进行了模拟和监测研究，指导了桥梁的施工。

本文结合工程实例，以有限元方法为理论依据，通过Midas Civil软件模拟桥梁悬臂浇筑施工各个阶段，计算分析控制截面上各个测点在悬臂施工阶段、合龙阶段施工状态下关键部位的内力、位移和阶段的变形及应力变化规律。

2 工程概况

某新建公路为双向4车道，设计速度100 km/h，其主桥为预应力混凝土变截面箱梁，桥跨布置为35 m+60 m+60 m+35 m，左右幅分离式设计。

主桥上部结构为变截面混凝土箱梁，单箱单室，腹板垂直。箱梁顶板宽12.5 m，底板宽7.5 m，翼板宽2.5 m，支点处梁高3.7 m，跨中处梁高2 m。梁高按1.8次抛物线变化。

梁体为全预应力混凝土设计，钢绞线公称直径15.2 mm，抗拉强度标准值1 860 MPa。

3 施工方法与步骤

桥梁施工采用悬臂现浇，0#块浇筑完成后与墩顶临时固结形成T形刚构，悬臂施工采用菱形挂篮，见表1。

表1 混凝土浇筑及纵向钢束张拉顺序

4 有限元模型建立

采用有限元软件中的梁单元，建立悬臂现浇箱梁施工模型。梁单元采用具有拉压、扭转、弯曲特征，其节点具有6个自由度，能够较好地适应应力强化、大变形效应和允许变截面的特点。整座桥跨结构共划分为72个单元，根据浇筑施工顺序进行单元划分，全桥分为3个T构、2个边跨现浇段、2个边跨合龙段及2个中跨合龙段。

箱梁结构模型如图1所示。

图1 箱梁结构模型

主要施工阶段模拟以及边界条件如下。

1）0#梁段：采用托架现浇施工，张拉预应力钢束并锚固，设置临时固结，安装挂篮。

2）1#~7#梁段：悬臂对称浇筑施工，按照挂篮悬臂浇筑施工过程依次对称浇筑张拉，并完成挂篮行走和就位。

3）边跨现浇：边跨满堂支架搭设，浇筑边跨直线段。

4）边跨合龙：将边跨挂篮向外移动，利用边跨挂篮合龙，与支架现浇段连接形成吊架；合龙处两端及T构两端设置配重，并连接劲性骨架；选择一天中温度最低时段进行合龙浇筑；最后张拉边跨合龙段钢束，拆除边跨支架以及相邻中墩临时固结，形成正式支座。

5）中跨合龙：将中跨挂篮向外移动，拆除一套挂篮，利用一套中跨挂篮合龙，形成吊架；在中墩T构两侧增加配重，浇筑混凝土并张拉钢束，拆除中墩临时固结，形成正式支座。

6）拆除挂篮。

7）二期恒载：桥面现浇层及桥面系荷载。

8）收缩与徐变：计算10年收缩徐变，3 650 d。

5 模拟结果分析

5.1 节点位移变化规律

悬臂梁在施工阶段，以一个悬臂浇筑T构为例，各部位发生位移变形规律随施工工序变化规律如图2所示。

图2 悬臂施工阶段位移变化图

根据图2可以发现，在梁段施工过程中，位移变化趋势呈拱形，并随着施工挂篮的前移，拱形逐步增大，在最后一个挂篮施工循环达到最大。混凝土浇筑会产生向下的节点位移，预应力张拉会产生向上的节点位移，张拉应力产生的位移大于混凝土自重产生的位移，随着挂篮向外施工变形幅度逐渐增大。

边跨合龙段施工，位移最大节点位于悬臂端部5#、25#节点，此时由于合龙段施工配重增加，会产生较小的位移波动。随后边跨合龙施工，5#节点张拉位移继续增大，而25#节点保持稳定。随中跨合龙段施工，25#节点位移增大，5#节点保持稳定。中跨节点最大位移21.8 mm，边跨节点位移13.1 mm，中跨产生的最终变形远大于边跨节点。

5.2 截面应力变化规律

如图3所示，根据梁体内力变化规律，可以得出结论：主梁在悬臂施工阶段均受压，3#节段施工时最大压应力4.36 MPa，7#节段施工时最大压应力8.40 MPa。每个施工节段外侧应力要大于内侧应力，且随着后续节段施工，之前节段的应力逐步增大，7#块张拉完成时，1#~4#块应力最大。

图3 中跨合龙后主梁应力图

中跨合龙张拉后，最大压应力8.88 MPa位于边跨节段，中跨梁段应力因中跨合龙张拉后显著降低。

5.3 截面弯矩变化规律

在桥梁悬臂施工过程中，全桥处于正弯矩状态，梁截面下缘受拉，上截面受压，此时正弯矩可以抵抗由悬臂施工产生的负弯矩，如图4所示。

图4 中跨合龙后主梁弯矩图

如图4中跨合龙后，在自重和合龙段预应力作用下，边跨合龙段产生一定负弯矩，跨中合龙段正弯矩数值较小，但在T构两侧1#~3#块正弯矩有所增加。分析其产生原因是合龙段钢束分为顶板束和底板束，其中边跨顶板束4束及底板束4束、中跨合龙顶板束4束及底板束6束，由钢束产生的负弯矩大于正弯矩，因此，4#~7#梁段内正弯矩减小；而支座附近由于下部钢束产生的水平拉力，箱梁底板受拉，因而1#~3#正弯矩进一步增大[8]。

6 结论

1）由预应力张拉产生的位移大于混凝土自重产生的位移，位移随着挂篮向外施工幅度逐渐增大，中跨产生的位移远大于边跨节点的位移。

2）悬臂施工过程中全截面受压，每个施工节段外侧应力要大于内侧应力，且随着后节段的施工，前节段的应力逐步增大，合龙钢束张拉后钢束作用节段应力显著减小。

3）悬臂施工过程中全桥处于正弯矩状态，梁截面下缘受拉，上缘受压。

在挂篮悬臂现浇桥梁施工中，分析不同施工阶段梁体所处的受力状态对施工中桥梁预拱度设置、应力监测以及中跨合龙等有着重要意义。