吳海軍，劉 健，張 雷

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，重慶 400074;2.長治高速公路有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

平轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋主梁現(xiàn)澆施工中的摩阻效應(yīng)

吳海軍1，劉 健1，張 雷2

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，重慶 400074;2.長治高速公路有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

采用平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋，其轉(zhuǎn)體梁段一般使用支架現(xiàn)澆的方式制作。在轉(zhuǎn)體梁段分段長度較長的情況下，現(xiàn)澆梁體和模板接觸面會產(chǎn)生較大的摩阻力和切向黏結(jié)應(yīng)力，阻礙梁體的自由變形，因而增大預(yù)應(yīng)力箱梁的應(yīng)力損失。采用有限元分析軟件，分析了現(xiàn)澆梁與底模支架之間的摩阻系數(shù)和模板約束情況，計算了預(yù)應(yīng)力筋張拉時主梁最大懸臂狀態(tài)各單元應(yīng)力。結(jié)果表明:一定情況下此摩阻和約束效應(yīng)對梁體有效預(yù)應(yīng)力的影響是不能忽視的。

連續(xù)梁橋;平轉(zhuǎn)施工;支架現(xiàn)澆;摩阻效應(yīng);約束效應(yīng)

我國的路網(wǎng)密度伴隨著公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)而日益增加，使得新建橋梁與現(xiàn)有路網(wǎng)的立體交叉問題日益突顯。有鑒于平轉(zhuǎn)施工法不影響下行交通運行，且轉(zhuǎn)體施工設(shè)備少、工藝簡單、操作安全，因此被較廣泛的應(yīng)用于跨公路和鐵路的橋梁建設(shè)。在眾多橋型中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是上跨下行道路時經(jīng)常被采用的，國內(nèi)近10年采用平轉(zhuǎn)施工的部分連續(xù)梁橋見表1［1-4］。

表1 近10年國內(nèi)部分平面轉(zhuǎn)體施工橋梁Table 1 Some bridges with horizontal swing construction in domestic in ten years

平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋，轉(zhuǎn)體梁段通常采用分段或全段一次支架現(xiàn)澆的工藝施工，筆者結(jié)合實例工程所發(fā)現(xiàn)的問題，就現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體梁段施工中梁體與模板之間的摩阻效應(yīng)進行分析研究。

1 連續(xù)梁平轉(zhuǎn)施工轉(zhuǎn)體段分段特點

1.1 平轉(zhuǎn)施工轉(zhuǎn)體梁段現(xiàn)澆施工的特點

轉(zhuǎn)體梁段支架現(xiàn)澆的施工方法與懸臂施工法相比，其轉(zhuǎn)體梁的兩個相鄰現(xiàn)澆節(jié)段可以交叉作業(yè)，即在前一節(jié)段混凝土養(yǎng)生的同時，當(dāng)前節(jié)段可以進行鋼筋綁扎及立模，因而可以明顯縮短施工工期。同時，在施工過程中梁體節(jié)段在大多數(shù)施工階段都與梁下的模板及支架保持接觸，梁體受力狀態(tài)不夠明確。

1.2 支架現(xiàn)澆梁體制作分段長度的選擇

轉(zhuǎn)體梁段施工時，梁體的分段長度影響梁體施工過程的受力狀態(tài)，也明顯影響橋梁的施工工期，是轉(zhuǎn)體梁段施工過程的重要問題。近年來一些轉(zhuǎn)體橋梁的主梁現(xiàn)澆分段長度調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果見表 2［5-6］。

表2 部分連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體梁段分段長度Table 2 Some section length of swivel beam

從表2可見，我國已建成的平轉(zhuǎn)施工連續(xù)梁橋，現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體梁段分段長度一般為4～8 m，對于部分橋梁，分段長度甚至超過20 m。過長的分段長度使現(xiàn)澆連續(xù)梁在張拉過程中的受力狀態(tài)不同于傳統(tǒng)短分段（3～5 m）懸臂施工，值得進行分析和討論。

2 平轉(zhuǎn)現(xiàn)澆梁與底模支架的摩阻現(xiàn)象

2.1 現(xiàn)澆梁施工過程中預(yù)應(yīng)力損失的構(gòu)成分析

現(xiàn)行的橋梁設(shè)計規(guī)范和專業(yè)計算軟件能夠自動計入的后張法預(yù)應(yīng)力損失包括預(yù)應(yīng)力筋的摩擦、錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋松弛、混凝土收縮徐變等。但對于現(xiàn)澆梁體與模板及支架之間摩阻與黏結(jié)因素，一般均未考慮，相關(guān)分析軟件不會自動計入計算。

采用平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋，其現(xiàn)澆梁體劃分的分段長度通常明顯比懸臂澆筑時長。在張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時，預(yù)應(yīng)力引起的梁上拱的趨勢往往難以抵消主梁重量引起的向下趨勢，因此，在拆除支架之前梁與模板之間是緊密貼合的。如果現(xiàn)澆梁體使用的支架剛度較大，特別是梁體的部分模板尚未拆除時，張拉預(yù)應(yīng)力筋在梁體所產(chǎn)生的壓縮趨勢會使現(xiàn)澆梁體與接觸的模板之間產(chǎn)生摩阻和黏結(jié)效應(yīng)，阻礙梁體的水平自由變形。上述現(xiàn)象使得預(yù)應(yīng)力鋼筋損失增大，梁體有效壓應(yīng)力水平將難以達到設(shè)計預(yù)期。因此，有必要對梁體與模板之間黏結(jié)及摩阻效應(yīng)進行分析。

預(yù)應(yīng)力簡支梁由于邊界條件及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，采用支架現(xiàn)澆的方法施工時，張拉預(yù)應(yīng)力筋后，梁體段會出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，并使其脫離底模支架，預(yù)應(yīng)力因摩阻因素的影響而造成的損失可以不做考慮。

2.2 現(xiàn)澆梁與模板的切向黏結(jié)應(yīng)力

經(jīng)統(tǒng)計，近年來修建的現(xiàn)澆連續(xù)梁橋，主梁混凝土標(biāo)號一般為C50，澆筑模板一般使用木模板或鋼模板?；炷僚c模板之間的切向黏結(jié)應(yīng)力可由《路橋施工計算手冊》查得。筆者就混凝土構(gòu)件與模板間的切向黏結(jié)應(yīng)力進行取值分析時，根據(jù)實橋情況，按照混凝土的強度、模板材料的選用情況、潤滑劑的使用情況得到切向黏結(jié)應(yīng)力取值范圍。

2.3 平轉(zhuǎn)施工現(xiàn)澆梁與底模支架摩阻系數(shù)取值

現(xiàn)行規(guī)范未對現(xiàn)澆梁體與底模及支架的摩阻系數(shù)做出明確規(guī)定?，F(xiàn)借鑒梁體與常見支撐物（支座）之間的摩阻系數(shù)，來討論底模及支架的摩阻效應(yīng)范圍。梁體與四氟板、橡膠、鋼板的摩阻系數(shù)，以及四氟乙烯滑動部件在不同應(yīng)力和溫度條件下的摩擦系數(shù)值可參照文獻［5］選取。

結(jié)合實際工程經(jīng)驗，認為梁體與滑動支座的摩阻系數(shù)應(yīng)該比現(xiàn)澆梁與底模支架的摩阻系數(shù)小。由文獻［5］可以發(fā)現(xiàn)，常溫下梁體與不同支座間的摩阻系數(shù)介于0.03～0.30之間。在缺乏規(guī)范規(guī)定和實測數(shù)據(jù)的情況下，為量化分析現(xiàn)澆段梁體與模板摩阻效應(yīng)對主梁受力的影響，現(xiàn)結(jié)合實橋，假定現(xiàn)澆梁與底模支架摩阻系數(shù)分別取為 0.03，0.10，0.30 和 1.00 等幾種情況，分析在不同假定摩阻系數(shù)下轉(zhuǎn)體梁段在合龍前最大懸臂狀態(tài)的應(yīng)力變化規(guī)律。

3 平轉(zhuǎn)現(xiàn)澆梁與模板之間摩阻效應(yīng)實例

3.1 工程實例

某高速公路立交橋為3跨連續(xù)梁橋（圖1），橋梁中跨在13#和14#墩之間跨越待建鐵路及既有鐵路，其13#橋墩梁體采用支架現(xiàn)澆平轉(zhuǎn)法施工。

13#墩主梁的轉(zhuǎn)體施工段為（59+59）m，最初設(shè)計分段長度為（13+3×12+20+3×12+13）m，共分9段。后因工期緊張，實際施工分段長度為（25+24+20+24+25）m，全T共分5段。用有限元軟件模擬實橋，橋面系轉(zhuǎn)體梁段分段單元組成編號見表3，具體分段如圖2。

圖1 轉(zhuǎn)體立交橋效果Fig.1 Graph of swivel overpass

圖2 立交橋現(xiàn)澆箱梁分段Fig.2 Cast-in-site box beam bridge block diagram

表3 主梁單元分配Table 3 Main unit distribution table

3.2 現(xiàn)澆梁摩阻效應(yīng)對梁體有效應(yīng)力的影響

通過實際施工時對轉(zhuǎn)體段梁體及支架的變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)體段梁體與模板支架從開始張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋到支架拆除前均無脫離跡象?，F(xiàn)假定轉(zhuǎn)體梁段與模板支架之間未脫開，黏結(jié)應(yīng)力和摩阻力沿梁體縱向均勻分布，建立MIDAS模型。分析最大懸臂狀態(tài)下現(xiàn)澆梁段各單元上下緣的應(yīng)力情況:模板約束不同時，各單元上下緣應(yīng)力對比如圖3;現(xiàn)澆梁段與底模支架之間的摩阻系數(shù)不同時，各單元上、下緣應(yīng)力對比如圖4。由圖3、圖4可知:

1）“自重應(yīng)力”“預(yù)應(yīng)力”分別為在最大懸臂狀態(tài)下，不考慮現(xiàn)澆梁與底模支架之間摩阻效應(yīng)時，由自重或預(yù)應(yīng)力筋單獨引起的應(yīng)力。

2）“無摩阻”“底模切向黏結(jié)”“底腹模切向黏結(jié)”“全外側(cè)模切向黏結(jié)”分別為在轉(zhuǎn)體梁段最大懸臂狀態(tài)下，不考慮現(xiàn)澆梁與底模支架之間摩阻效應(yīng)，考慮梁體的底模切向黏結(jié)應(yīng)力、梁體的底模和外側(cè)腹模切向黏結(jié)應(yīng)力、梁體的全部外模板切向黏結(jié)應(yīng)力等幾種情況計算出的應(yīng)力。

3）“μ =0.03”，“μ =0.1”，“μ =0.3”，“μ =1”分別為在轉(zhuǎn)體梁段最大懸臂狀態(tài)下，計算模型中考慮現(xiàn)澆梁與底模支架的摩阻系數(shù)分別為0.03，0.10，0.30，1.00 時計算出的應(yīng)力。

將圖3、圖4反映的切向黏結(jié)應(yīng)力及摩阻系數(shù)對主梁根部位置截面應(yīng)力的影響進行歸納，見表4。

圖3 轉(zhuǎn)體梁段最大懸臂狀態(tài)在不同模板約束下的應(yīng)力對比Fig.3 Stresses comparison diagram of the biggest cantilevers with different constraint templates

圖4 轉(zhuǎn)體梁段最大懸臂狀態(tài)在底模支架摩阻系數(shù)不同假定下應(yīng)力對比Fig.4 Stresses comparison diagram of lower edge on each unit of the biggest cantilever with different friction coefficients

表4 采用不同切向黏結(jié)應(yīng)力和摩阻系數(shù)下主梁根部位置應(yīng)力Table 4 Stress change of main pier’s root with different tangential cohesive force and different friction coefficients /MPa

由表4可見:

1）主梁的上緣壓應(yīng)力值隨模板約束的增強而減小，下緣壓應(yīng)力值隨模板約束的增強而增大。與不考慮模板切向黏結(jié)應(yīng)力相比，考慮底模切向黏結(jié)應(yīng)力時，主梁上緣壓應(yīng)力減小了1.02 MPa，占理論應(yīng)力值的17.2%，下緣壓應(yīng)力增大了1.30 MPa，占理論應(yīng)力值的30.0%;考慮底模、外側(cè)腹模切向黏結(jié)應(yīng)力時，主梁上緣壓應(yīng)力減小1.56 MPa，占理論應(yīng)力值的26.4%，下緣壓應(yīng)力增大2.03 MPa，占理論應(yīng)力值的42.0%。由此可見，模板的切向黏結(jié)應(yīng)力對梁體應(yīng)力的影響較為顯著，這主要是由于模板約束的存在阻止了預(yù)應(yīng)力張拉時部分壓縮變形的產(chǎn)生，而預(yù)應(yīng)力壓漿和錨固完成、模板與支架拆除后，模板約束的卸除導(dǎo)致了部分壓縮變形的出現(xiàn)，從而引起預(yù)應(yīng)力鋼筋有效預(yù)應(yīng)力下降。

2）主梁的上緣壓應(yīng)力值隨現(xiàn)澆梁與底模支架之間摩阻系數(shù)值的增大而減小，下緣壓應(yīng)力值隨現(xiàn)澆梁與底模支架之間摩阻系數(shù)值的增大而增大，且摩阻系數(shù)的變化比例與截面應(yīng)力變化的比例相近。與不考慮摩阻效應(yīng)相比，當(dāng)摩阻系數(shù)取為0.03時，主梁上緣壓應(yīng)力減小0.08 MPa，占理論應(yīng)力值的1.3%，下緣壓應(yīng)力增大0.05 MPa，占理論應(yīng)力值的1.0%;當(dāng)摩阻系數(shù)取為0.10，主梁上緣壓應(yīng)力減小0.17 MPa，占理論應(yīng)力值的2.6%，下緣壓應(yīng)力增大0.16 MPa，占理論應(yīng)力值的3.5%;當(dāng)摩阻系數(shù)取為0.30時，主梁上緣壓應(yīng)力減小 0.42 MPa，占理論應(yīng)力值的6.5%，下緣壓應(yīng)力增大0.48 MPa，占理論應(yīng)力值的10.5%。

4 結(jié)論

1）先支架現(xiàn)澆后平轉(zhuǎn)施工連續(xù)梁橋，當(dāng)梁體分段長度較長和支架的剛度較大時，張拉預(yù)應(yīng)力引起的梁上拱變形往往難以抵消主梁重量引起的向下變形，此時在支架拆除以前，梁體與模板之間是緊密貼合的;現(xiàn)澆梁體和底模支架接觸將產(chǎn)生約束和摩阻效應(yīng)并阻礙梁體的水平變形的自由發(fā)生，從而增大預(yù)應(yīng)力損失，設(shè)計和施工中應(yīng)予以考慮和關(guān)注。

2）從實例計算結(jié)果可以看出，當(dāng)現(xiàn)澆梁體段施工分段長度較長時，主梁應(yīng)力狀態(tài)受梁體與模板之間約束和摩阻效應(yīng)的影響較為顯著。

3）主梁的上緣壓應(yīng)力值隨切向黏結(jié)應(yīng)力的增大而減小，下緣壓應(yīng)力值反之。

4）梁體和模板的摩阻系數(shù)一般介于0.03～0.30之間;主梁的上緣壓應(yīng)力值隨現(xiàn)澆梁與底模支架的摩阻系數(shù)值的增大而減小，下緣壓應(yīng)力反之;摩阻系數(shù)的變化比例與截面應(yīng)力的變化比例相近。

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Friction Effect of Girder of Horizontal Swing Continuous Beam Bridge in Cast-in-Site Construction

Wu HaiJun1，Liu Jian1，Zhang Lei2
（1.School of Civil Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Changzhi Expressway Co.Ltd.，Changzhi 046000，Shanxi，China）

The continuous beam bridge constructed with the technology of horizontal swing usually builds its’spin beam section in a way of scaffold in-site.When the spin beam section is too long，a great frictional force and tangential cohesive force will occur in the contact surface between the casting beam body and shuttering，which will hinder the free deformation of beam，as a result，the stress losses of pre-stressed box beam will be increased.Using finite element analysis software，the frictional coefficients between the casting beam and the holder of bottom shuttering are analyzed，and the girder element stress of the biggest cantilever state is calculated when the pre-stressed reinforced steel is stretched.The result indicates that the influence of the friction effect and tangential cohesive effect on the pre-stress of beam body can’t be ignored in some cases.

continuous beam bridge;horizontal swing construction;scaffold in-site;friction effect;constraint effect

U445.46

A

1674-0696（2013）02-0183-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.02

2011-12-14;

2012-11-05

吳海軍（1975—），男，陜西武功人，副教授，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析及耐久性方面的研究。E-mail:whj_tj@sina.com。