预应力混凝土连续梁桥悬臂浇筑施工参数敏感性研究

李海洋

（中铁隧道洛阳监理有限公司天津分公司，天津 300131）

1 引言

预应力混凝土连续梁桥采用悬臂浇筑法施工有较多优势，如施工时不影响下部空间通车，施工进度较快，资源消耗少等，但在桥梁的悬臂施工中仍有较多问题需重点关注，其中就包括敏感性参数的控制[1]。只有严格控制敏感性参数并将施工误差保持在允许范围内才可使成桥线形和力学性能满足设计要求。因此，本文对预应力混凝土连续梁桥悬臂施工参数敏感性进行更为深入的研究，为设计和施工提供合理化建议。

2 工程概况

以某预应力混凝土连续梁为研究对象，其上部结构为51 m+88 m+51 m 的三跨结构，单箱三室箱梁，箱梁根部高5.2 m，跨中梁高2.6 m，梁底以二次抛物线过渡。箱梁顶底板宽度分别为25.5 m 和18 m，两侧翼缘板悬臂长3.75 m，顶底板厚度分别为30 cm 和28～80 cm，腹板厚50～70 cm。顶板横向坡度为1.5%，底板保持水平。主梁混凝土等级为C50，施工方法为挂篮悬臂浇筑法，累计悬臂浇筑长度43 m，悬臂浇筑段控制重量的最大值为2 680 kN，中跨和边跨的合龙段长度均为2 m。

3 施工控制参数敏感性分析

3.1 设计参数的敏感性

预应力混凝土连续梁桥在悬臂施工时的模拟分析内容主要有主梁的浇筑养护、混凝土的收缩徐变和温度影响等[2-3]。预应力混凝土连续梁桥各项设计参数的改变会引起桥梁结构内力的变化，因此，必须合理识别和修正预应力混凝土连续梁桥的各项设计参数，并按各参数敏感程度划分为主要和次要两种设计参数。各项设计参数的敏感性分析流程为：

1）控制各项设计参数的变化限度在±10%；

2）选取控制目标，通过有限元分析软件对设计参数加以修改，并对挠度和应力的变幅进行计算；

3）基于设计参数的敏感程度划分设计参数的主次要关系。

为确保成桥状态下结构保持在理想状态，需分析和预测桥梁结构在成桥和最大悬臂状态下的应力和挠度情况。

3.2 结构自重的影响

本桥梁所用截面形式为变截面，因此，在施工立模时存在一定难度和误差，并且在放样误差和模板走样等的影响下构件实际尺寸和理论值间也会出现误差，桥梁截面的几何特性和混凝土自重荷载等在该误差的影响下必然会和理论设计参数有所偏离，而对于悬臂施工的大跨度连续梁桥而言，桥梁上部结构的混凝土重量有较大影响，因此，本文通过调整模型有关重量参数的方式考虑结构自重[4]。从现有研究可见，桥梁结构自重约为设计值的105%，因此，本文在模拟桥梁成桥状态和最大悬臂结构状态下的挠度和应力时，所用自重系数分别为1.0 和1.05。所建立有限元模型的原点在跨中位置，成桥状态下主梁截面位置在-95～95 m，在浇筑完11#块混凝土和结束预应力钢筋张拉时为最大悬臂状态，因此，主桥位置在最大悬臂状态下只选取结构的1/2 进行分析。其中，挠度差为1.05 自重系数下和1.0 自重系数下的挠度差值，应力差为1.05 自重系数下和1.0 自重系数下的应力差值，应力表示对应截面的最大应力。

从结果看，主梁在成桥状态和最大悬臂状态下的挠度和应力均和结构自重误差存在较大联系。因结构自重误差的影响，主梁在成桥状态下有2 mm 的挠度差和0.40 MPa 的最大应力，在最大悬臂状态下有2.2 mm 的挠度差和0.37 MPa 的最大应力。若忽略自重误差的影响，成桥状态下挠度所受影响最大约为30%，应力约为3%，最大悬臂状态下挠度所受影响最大约为50%，应力约为9%。因此，为避免桥梁结构变形值过大，应对结构自重误差加以考虑，并在施工监控中控制重量参数，调整有限元模型。

3.3 结构刚度的影响

水泥石和集料的弹性模量与相对含量会对混凝土的弹性模量产生较大影响，且其会因养护时间、加载时间以及混凝土的收缩徐变等的改变而相应产生变化。此外，在实际施工时往往因为工期需要而将早强剂等外加剂加入混凝土中，使其较早满足预应力张拉强度的要求，但这种情况会导致混凝土前期弹性模量滞后于后期强度的发展，并增大混凝土的收缩徐变，导致预应力出现更大的损失。综合上述分析可知，预应力混凝土桥梁在施工时往往会引起混凝土弹性模量的偏差。本文假定混凝土的弹性模量有10%的增长，结构刚度误差在最大悬臂结构状态下对主梁挠度和应力的影响如图1 所示。

图1 最大悬臂状态下弹性模量增加10%的模拟结果

从所得结果可以看出，最大悬臂状态下桥梁的挠度和结构刚度误差有一定的联系，混凝土弹性模量增大10%时，主梁最大挠度减小约2.1 mm，最大应力增加约0.1 MPa。可见，结构刚度误差对主梁挠度约有20%的影响，对应力影响则可忽略不计。因此，为确保桥梁结构在最大悬臂状态下的变形误差，施工时应考虑结构刚度误差，并对混凝土弹性模量参数加以控制和调整有限元模型。

综上，对主梁成桥状态和最大悬臂状态下的挠度和应力而言，结构自重和弹性模量均有一定的影响，特别是对挠度有较大影响，因此，为尽可能减小结构挠度或应力，确保桥梁的成桥状态满足要求，在施工模拟时应考虑结构自重和弹性模量误差的影响。具体包括：降低结构自重和刚度参数的离散程度，或对结构自重和刚度误差加以预测，以闭环控制和自适应控制控制结构自重和刚度参数，合理调整有限元模型。

3.4 预应力张拉控制力的影响

在恒载和活载的共同作用下会导致预应力混凝土连续梁桥产生竖向挠度，而预应力钢束则可产生一定的反拱度对竖向挠度加以抑制，由此可知，在预应力混凝土结构中，预应力钢束是梁体变形的重要组成部分。在张拉预应力钢筋时，往往是以张拉力和伸长量双重控制预应力钢束的张拉，并以伸长量作为主要控制参数，且需将其控制在±6%以下。但考虑到背景桥梁施工时环境等的限制，在预应力张拉控制时仍以张拉力控制为主，这种情况必然会引起张拉力的不足或超张拉的情况，不利于结构挠度和应力，并会使其预应力损失过大。从桥梁的设计图看，其所用BST2、BST3 和ZST2、ZST3 均为单端张拉，锚下预应力有1 357.8 MPa 的控制张拉力，其余钢束均为双端张拉，锚下控制张拉预应力为1 395 MPa。本文假定桥梁预应力张拉力不足，并将其统一下调10%，对比最大悬臂结构状态下正常张拉和张拉力不足时桥梁结构的挠度差和应力差，所得结果如图2 所示。图中挠度差和应力差均为预应力张拉力控制值和张拉力下调10%之后对应挠度和应力的差值。

图2 最大悬臂状态下预应力张拉控制力减小10%后的模拟结果

综上，在下调预应力张拉控制力10%之后的误差对最大悬臂状态下桥梁结构的挠度有较大影响，主梁最大挠度约有3.3 mm 的增长，最大应力约减小1.1 MPa。可以看出，下调预应力张拉控制力10%对最大悬臂结构状态下的最大挠度约有45%的影响，对应力约有15%的影响。因此，为确保桥梁结构在最大悬臂状态下的变形，应对预应力张拉控制力加以考虑，并在施工监控中控制预应力张拉控制力。

在一定程度上，预应力张拉控制力的减小会导致钢束松弛损失值有所增加，最大可增大约50 MPa，而对预应力弹性变形损失和收缩徐变损失则仅有较小的影响。综上可知，为控制预应力张拉控制力对钢束预应力损失的影响，在设计时需重视预应力张拉控制力的误差，并在施工监控中对其加以预测和控制，对有限元模型进行调整。在施工时应提高现场施工人员的质量意识，对预应力张拉质量加以严格控制，或结合闭环控制和自适应控制方法调整预应力张拉控制力，并实时反馈至有限元模型中。

3.5 临时荷载的影响

对于主梁的线形而言，挂篮刚度和变形均会对其产生一定的影响。在悬臂浇筑时，必须保障挂篮的安全和稳定，明确挂篮作用，消除不客观模拟所引起的误差，确保将主梁线形和内力满足要求，保障桥梁施工质量。背景桥梁所用挂篮和模板重量为1 400 kN（140 t），合龙段挂篮重量为540 kN（54 t），因现场环境不同，从经济性的角度考虑，挂篮实际重量难以达到1 400 kN（140 t），因此，假定挂篮重130 t，对比分析不同挂篮重量下桥梁结构在成桥状态和最大悬臂状态下的挠度差和应力差。

从结果看，挂篮荷载的误差对主梁成桥状态挠度的影响较小，仅有约0.02 mm 的降幅，对成桥状态的应力的最大影响值可达6 MPa；挂篮荷载的误差对最大悬臂状态下的挠度有一定的影响，最大值减小约0.2 mm，对应力的影响较小，可忽略不计。因此，为对成桥状态下结构应力加以控制，应重视挂篮荷载误差的影响，在施工监控中控制挂篮荷载参数，对有限元模型加以调整，并注意检算施工方设计的挂篮，确保挂篮荷载的准确度。

4 结语

预应力混凝土连续梁桥结构参数的改变必然会导致其内力和形状的改变，因此，必须识别预应力混凝土连续梁桥的结构参数，并在必要时加以修正。本文在有限元模型模拟分析时选取结构自重、刚度和预应力张拉控制力等敏感性参数，对其影响程度加以探讨。在所选取的敏感性参数中，结构自重、刚度和预应力张拉控制力有较大影响，因此，在施工中应对混凝土质量和预应力张拉质量加以严格控制，并增强施工人员的质量意识，确保成桥质量。