師貞艷,孫光文,吳俊鋒,朱華鋒

(竹山縣公路管理局,竹山 442200)

大跨預應力連續(xù)剛構橋施工階段合理預拱度分析

師貞艷,孫光文,吳俊鋒,朱華鋒

(竹山縣公路管理局,竹山 442200)

針對高墩預應力連續(xù)剛構橋施工過程中合理預拱度的設置問題,從預拱度控制理論對預拱度的設置進行了分析,并分析了橋墩剛度、材料性能、施工因素、預應力損失及環(huán)境溫度因素對施工預拱度的影響,最后以在建的新碼頭大橋為工程實例進行了施工階段預拱度的求解,給出了合理預拱度,橋梁順利合攏且合攏誤差在容許范圍內,大橋成橋標高略高于設計標高,對后期運營期行車及收縮徐變下跨中下?lián)闲纬梢欢ǖ膬洹?/p>

預應力; 連續(xù)剛構橋; 施工階段; 預拱度

高墩預應力連續(xù)剛構橋具有整體性好、順橋向和橫橋向抗扭剛度大結構受力優(yōu)越,另外橋墩無需巨型支座支撐[1],避免了類似簡支梁橋需落梁拆除臨時固結的工序,提高施工效率。預應力連續(xù)高墩橋伸縮縫少行車舒適度好,其在我國西部山區(qū)得到了大范圍的推廣和應用,目前隨著我國高速鐵路的發(fā)展,由于其優(yōu)越性能,其在高速鐵路上的應用近幾年也得以大范圍應用。對于高墩預應力連續(xù)剛構橋可利用高墩的柔性性能減小預應力損失、混凝土收縮徐變及溫度變化引起的位移,利于大跨橋梁的受力要求[2]。但對于高墩預應力連續(xù)剛構橋而言其施工難度大,主墩的線性及主梁最終線性均對橋梁的受力性能及壽命產生至關重要影響,目前我國現有的此類型的橋梁普遍存在跨中持續(xù)下?lián)系膯栴}。該文以新碼頭大橋為工程背景研究各種可能因素對此類橋梁跨中下?lián)蠁栴}的響應。

1 預拱度控制

1.1 預拱度控制理論

連續(xù)剛構橋的施工階段主要包括:掛籃前移、混凝土澆筑和預應力張拉3個階段。掛籃前移立模標高主要包括橋梁成型設計標高、施工階段引起的預變位、成橋后活荷載引起的預拋告、施工過程中掛籃體系變形值及根據經驗增加的附加預拱度?；炷翝仓蟮臉烁咧饕糜谝呀ǔ山Y構的標高校核,在此基礎上對待建結構模型參數進行優(yōu)化和調整。預應力張拉后的標高主要用于校對核實測數值與數值模擬值間的差異,從而求證模型計算參數是否合理,模型預應力損失與實際間的差異,從而對模型進行修正。

大跨預應力連續(xù)梁橋結構施工過程中采用懸臂施工,因為是分階段施工,后一階段的施工荷載會對前一階段成型結構產生彈性變形,而本施工階段節(jié)段在成為結構后已經完成了本身靜載的變形,對后一節(jié)段不產生影響。此過程中由施工荷載引起的預拱度應按式(1)進行。

施工預拱度的設置主要是為了消除施工階段各荷載對橋梁線性的影響,使橋梁線性盡可能與設計線性持平。預應力連續(xù)剛構橋預拱度主要包括施工預拱度、成橋預拱度及附加預拱度。施工預拱度主要是通過正裝計算、施工過程模擬,逐段迭加計算,其影響因素主要包括一期恒載、預應力、二期恒載、結構體系轉換、掛籃變形、前期收縮徐變、墩身壓縮、溫度影響、墩頂轉角位移及施工荷載。成橋預拱度主要包括后期1/2活荷載及收縮徐變。

式中,H為該點設計標高;f1為本次及以后各澆筑箱梁段對該點撓度影響值,包括箱梁節(jié)段自重、預應力張拉效應、混凝土收縮徐變、結構體系轉換、二期恒載等影響;f2為掛籃彈性變形對該點撓度影響值;f3為成橋后列車活載等對該點撓度影響值;f4為根據專家經驗設置的附加預拱度,暫定將跨中最大附加預拱度設置為跨度的1/3 000,其余節(jié)段按設計的2次拋物線插值計算。以上參數在施工控制過程中,多依據現場反饋實測值與有限元數值分析值,采用最小二乘法、卡爾曼(KALMAN)濾波法等理論進行修正和預測,最終獲得最佳預拱度。

1.2 預拱度控制影響因素

橋墩剛度影響:對于大跨高墩預應力連續(xù)剛構橋梁施工,在施工過程中不可避免的會出現不平衡施工,由此造成的不平衡彎矩勢必對橋墩產生影響;另外偏載及橫向風荷載會對橋墩產生扭矩。所以橋墩的剛度需滿足可抵抗因不平衡彎矩及扭矩造成的位移,必須具備足夠的縱向抗彎剛度和側向抗扭剛度。但過大的剛度往往對因溫度、混凝土收縮徐變和橫向地震力的影響減小作用不明顯,所以設計上橋墩要具有一定的柔性。文獻[3]的研究認為將實心截面橋墩一分為二,其縱向剛度降低4倍,進一步驗證了為何大跨連續(xù)剛構橋多采用雙支墩,并給出了雙支墩合理間距的解析式。

材料性能:混凝土的收縮徐變會使結構產生較大的附加應力,致使梁體截面開裂,影響結構的安全性和使用壽命。對于預應力結構收縮和徐變會引起結構預應力損失,導致應力重分布,影響結構線性。混凝土的收縮徐變是一個復雜的非線性問題,文獻[4]認為其變異系數在15%～20%?！豆蜂摻罨炷良邦A應力橋涵設計規(guī)范》(JTG D62—2004)規(guī)定構件計算施工階段變形時,可按照結構構件自重和預加力產生的初始彈性變形乘以一個放大系數求得,所以對于連續(xù)剛構橋的前期收縮徐變可按照規(guī)范進行定義和取值。

施工因素:對于大跨高墩預應力連續(xù)剛構橋而言,施工過程控制至關重要,對于掛籃和滿堂支架須嚴格按規(guī)范規(guī)定進行120%的預壓,消除臨時結構非彈性變形,同時獲得彈性剛度系數,為后期每個階段立模提供參數依據。掛籃對結構的影響主要包括自重對結構產生的彈性變形和混凝土澆筑過程中自身的撓曲變形,施工立模標高須考慮其影響。另外立模應嚴格按照理論值進行立模,測量實時跟進,及時對標高進行調整,避免因立模不到位造成橋梁線性偏離設計過多,對結構受力造成不利影響。施工過程中材料須經嚴格檢驗,避免因材料不合格造成施工過程中材料配合比與試驗室配合比偏差過大,混凝土強度不合格,影響了材料基本性能,最終對結構安全及壽命造成影響。混凝土澆筑完成后續(xù)及時進行養(yǎng)護,達到規(guī)范養(yǎng)護要求再進行拆模。

預應力損失:大跨高墩預應力連續(xù)剛構多采用三向預應力體系,預應力的張拉效果直接會對結構線性產生影響。影響預應力效果的因素主要有:豎向預應力由于受螺紋公差的影響,螺帽和螺紋見由于空隙造成預應力損失;預應力張拉過程中,錨固不及時預應力筋回縮造成預應力張拉不到位;金屬波紋管壓漿不通、不飽滿,漿體與預應力筋間握裹作用并不明顯。

環(huán)境溫度因素:大跨高墩連續(xù)剛構橋的施工分階段進行,期間由于時差每個階段施工過程中的溫度均不一樣,幾何線性的測量值中包含溫度荷載的影響,所以測量時間應盡可能的選擇溫度較為穩(wěn)定的時段進行。節(jié)段由于日照溫差對懸臂結構的影響可建立其溫度位移敏感性分析體系,根據實時施工溫度對節(jié)段變形進行差值求解,修正因溫差引起的結構變形。

2 實例分析

2.1 工程概況

新碼頭大橋為竹山縣龍背灣電站復建線路工程。新碼頭大橋位于龍背灣電站壩址上游約3 km的新碼頭,起止里程K189+945.1～K190+160.9。該橋位于河流之上,與河流交角90°,橋全長215.8 m。橋位區(qū)地貌單元屬于構造侵蝕中低山區(qū),河床高程402.00 m,橋梁中心高程532.62 m,兩岸山峰相對高程約580～700 m,最大相對高差約300 m,河面寬約55 m。橋位區(qū)均為巖質邊坡,邊坡陡峭,坡角約50°～70°,新碼頭大橋主橋結構采用57 m+100 m+57 m三孔一聯(lián)預應力連續(xù)剛構,1#、2#墩主墩高度分別達92 m和73 m,橋墩形式采用薄壁雙支墩。

2.2 合理預拱度求解

預拱度求解采用采用Midas/Civil三維空間有限元軟件進行,結構自重由程序自動輸入,自重系數取-1.1;混凝土濕重對結構的影響簡化為1個集中力和1個附加彎矩作用,以節(jié)點荷載的形式對稱施加在已完成梁段的前端節(jié)點上;掛籃對結構的影響,按設計圖紙?zhí)峁旎@荷載(施工掛藍、機具、人群等)簡化為1個集中力(500 k N)和1個附加彎矩對稱施加在已完成梁段的前端節(jié)點上;預應力荷載按設計要求輸入,縱向預應力鋼束采取兩端張拉,張拉后隨即進行管道壓漿;二期恒載:鋪裝:70 mm C50混凝土,容重25 k N/m3; 80 mm瀝青混凝土,容重23 k N/m3;防撞護欄:15.5 k N/m;整個大橋主梁二期恒荷載合計:42.4 k N/m,全橋合攏后60 d施加。

計算程序考慮以下5種預應力損失:①預應力筋與管道間的摩阻損失;②錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮損失;③混凝土的彈性壓縮損失;④預應力鋼束應力松弛損失;⑤混凝土收縮徐變損失等,并按預應力損失發(fā)生的時間以兩種方式作用于結構:施加預應力時的瞬時損失(包括①②③)和隨時間推移引起的長期損失(包括④⑤);混凝土的收縮徐變和抗壓強度隨時間增長的特性按照JTG D60—2004取,收縮和徐變隨時間增長特性曲線如圖1、圖2所示,抗壓強度隨時間增長特性曲線如圖3所示。依據設計文件橫向不計折減,偏載系數取1.15,沖擊系數按照JTG D60—2004取。

根據設計圖中的結構劃分、施工方案、合攏方案以及施工單位的施工進度安排,將整個施工過程分成懸臂施工階段和合攏施工階段兩大部分。其中,懸臂施工13個梁段,每個梁段的施工階段分成立模、澆筑、張拉預應力鋼束3個工況。為了充分考慮混凝土收縮徐變的影響,根據懸臂節(jié)段的施工進度,計算假定每個節(jié)段的施工周期為10天,每個混凝土節(jié)段張拉的養(yǎng)護齡期為7天。根據設計要求主橋合攏分為兩次,按照先邊跨,后中跨的順序,完成箱梁的合攏。在合攏施工階段中,每個合攏又有立模、澆筑、鋼束張拉、掛籃及模板的拆除等工況,同時考慮施工時間效應。圖4為計算所得合理預拱度曲線圖。

3 結 語

新碼頭大橋按照理論施工合理預拱度順利合攏,最大合攏誤差在1 cm內,且成橋跨中標高略高于設計線性約3 cm左右,滿足后期行車及混凝土材料收縮徐變造成跨中下?lián)蟽湟?。由以上分析及新碼頭大橋實例分析表明施工階段合理預拱度的設置須全面考慮橋墩剛度、材料性能、施工因素、預應力損失及環(huán)境溫度的影響。

[1] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 李 杰,徐 岳,鄭凱鋒.預應力混凝土連續(xù)剛構橋結構參數分析[J].廣西交通科技,2003,28(5):28-30.

[3] 徐君蘭,顧安邦.連續(xù)剛構橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[4] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

Reasonable Prefabricated Camber Analysis of Construction Stage of Large Span Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge

SHI Zhen-yan,SUN Guang-wen,WU Jun-feng,ZHU Hua-feng
(Zhushan County Highway Administration,Zhushan 442200,China)

For the reasonable prefabricated camber of high pier large span prestressed concrete continuous rigid frame bridge set up problems during construction stage,the prefabricated camber control theory was investigated. Meanwhile this paper analyzed the factors of pier stiffness,material properties,construction factors,the loss of prestress,and the environment temperature and its influence on construction of prefabricated camber.Finally take Xin Matou big bridge as an engineering example,we do finite element numerical solution and get the reasonable prestressing camber,the bridge smoothly closed and the closed error within the allowable range,the bridge level slightly higher than the design elevation forming certain reserves for the late driving,shrinkage and creep during operating period.

prestressed; continuous rigid frame bridge; construction stage; prefabricated camber

2014-08-05.

師貞艷(1974-),高級工程師E-mail:348850844@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.021