先简支后连续混凝土箱梁桥施工顺序对结构性能的影响分析

于卫国, 王新定, 孔文锐, 周 毅, 陈 兵, 张 璠

(1.南通路桥工程有限公司,江苏 南通 226001;2.东南大学,江苏 南京 210096)

0 引 言

随着我国交通事业的不断发展,装配化、标准化的快捷施工技术不断得到推广,先简支后连续的桥梁施工方法应运而生。该施工方法在二十世纪八十年代中期迅速发展,并在全国范围内得到了广泛应用。它兼顾了简支梁桥可以批量预制、装配化程度高和连续梁优越的力学性能与使用性能,迅速成为工程建设中等跨径桥梁时的首要选择。但是,先简支后连续梁桥也不是万全之策,它独特的施工方法在解决以往简支梁桥和连续梁桥施工痛点的同时,也产生了新的缺点和难点[1-3]。先简支后连续梁桥在临时支座拆除前是简支梁受力形式,当负弯矩预应力张拉后,临时支座被拆除,桥梁将变为连续梁受力形式。在此过程中,如果预应力张拉和拆除临时支座两道工序操作不当,将在桥梁结构内引起内力重分布,会对成桥结构的内力产生影响[4]。采用有限元方法,探究不同施工顺序对先简支后连续预应力混凝土箱梁桥结构受力性能的影响,以期优化该类桥梁的施工工序,为今后同类桥梁施工提供参考与借鉴。

1 工程概况

桥梁工程位于江苏中部长江北岸,地貌属里下河洼地,地势低洼,地形起伏小,区域内湖荡星罗棋布,圩田众多,河道交错纵横。该装配式部分预应力混凝土连续箱梁桥跨径布置为4×(5×30)mm,桥梁的典型横断面如图1所示。桥宽13.5m,横向布置4片小箱梁。箱梁梁高1.6m,跨中下箱梁顶板和底板厚度为0.18m,支点处底板加厚至0.30m,二者之间设有2m长的直线渐变段。上部预制箱梁、横梁、现浇接头、湿接缝等均采用C50混凝土,预应力材料采用低松弛预应力钢绞线。标准型钢绞线单根直径为15.2mm,钢绞线截面积为140mm2,抗拉强度标准为1 860MPa,弹性模量为1.95×105MPa。桥梁采用先简支后连续的施工方法。

2 临时支座拆除顺序对结构受力性能的影响

对于先简支后连续梁桥,不同的施工顺序会引起不同的结构响应[5]。为了使这类桥梁成桥时的受力状态更加合理和安全,本文探究了不同施工顺序对桥梁结构受力性能的影响,采用实体有限元分析方法对不同施工顺序进行了仿真分析,包括连续段的混凝土施工顺序和临时支座的拆除顺序。

在先简支后连续梁桥的施工中,体系转换是尤为关键的一步[7]。在各连续段所有预应力筋张拉完成后,将临时支座拆除,使连续梁落在预先设置好的永久支座上,就完成了简支变连续的体系转换[8]。而在临时支座拆除后,由于临时支座和永久支座之间存在一定高差(一般为3～5mm),且永久支座在完全支撑主梁前必定要发生一定的变形,且在支点截面处主梁必定会发生一定位移[9-10]。因此,不同支点截面处的相对位移显然会影响结构的内力状态,导致应力重分布。研究临时支座的拆除顺序,使这种影响降至最低。通过给永久支座节点添加强迫位移,来模拟临时支座的拆除,再分别划分添加强迫位移的顺序,模拟实际的拆除顺序。临时支座拆除顺序分为三种工况:①依次拆除;②对称拆除;③间隔拆除。

结合图2,详述3种拆除顺序。工况①:依次拆除1#、2#、3#、4#临时支座;工况②:先拆除1#和4#临时支座,再拆除2#和3#临时支座;工况③:先拆除1#和3#临时支座,再拆除2#和4#临时支座。图3是箱梁在拆除临时支座过程中的挠度云图(以工况①为例)。

图2 临时支座示意图

工况①～③情况下桥梁的挠度变化曲线如图4所示。表1～表3分别表示了工况①～③情况下拆除过程中各支点截面的顶底板应力。

表1 工况①拆除过程各支点截面顶底板应力(单位:MPa)

表2 工况②拆除过程各支点截面顶底板应力(单位:MPa)

表3 工况③拆除过程各支点截面顶底板应力(单位:MPa)

从图4中可以看出,不同的临时支座拆除顺序会引起不同的结构响应。在工况①的情况下,拆除2#支座引起的附加挠度最大,在拆除2#临时支座后,分别在第二跨引起了向下的附加挠度和第四跨引起了向上的附加挠度。在工况②的情况下,1#、4#临时支座的拆除引起了第三跨向上的附加挠度。在工况③的情况下,1#、3#临时支座的拆除引起了第五跨向上的附加挠度。但是,这些附加挠度数值均在1mm左右,由此引起的顶底板拉应力也较小,影响不大。从尽量减少支座拆除对结构影响的角度出发,工况②应是最佳选择。因为在工况②的情况下,桥梁的挠度变化更均匀平缓。工况①每拆除一个临时支座都会产生附加挠度,工况③则在边跨引起了附加挠度,这都是不利于结构的受力。

图4 各工况下桥梁挠度变化曲线图

从表1～表3可以发现,工况①和工况②在全部临时支座拆除后,其顶底板最终的拉应力都较小,而工况③在3#支座的顶板的最终拉应力为0.26MPa。在拆除过程中,工况③出现的拉应力也是最大的,在拆除1#和3#临时支座后,2#支座截面的顶板出现了0.61MPa的拉应力,占2#支座截面顶板负弯矩预应力张拉储备压应力的8.7%。虽然顶底板出现的拉应力不足以使混凝土开裂,但是从有利于混凝土结构受力的角度出发,预压应力储备应是越多越好。由以上可知,临时支座的拆除顺序采用工况②的对称拆除为最佳。

3 结束语

本文采用有限元方法对该先简支后连续预应力混凝土箱梁桥的施工顺序进行了仿真分析,从分析结果可以得到结论:在体系转换中临时支座的拆除顺序,可采用对称拆除的施工顺序。