楊相平,趙建祥

高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工線形和應力控制研究

楊相平1,趙建祥2

1. 中交路橋建設有限公司, 北京 100027 2. 中交路橋南方工程有限公司, 北京 100027

針對某二級公路上新建高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋，本文基于有限元軟件Midas Civil建立仿真計算模型，研究懸臂施工過程中主梁線形和應力的變化規(guī)律，得到理論值；利用現(xiàn)場布設位移測點和鋼筋應力計對懸臂施工過程中主梁的線形和應力變化進行實測，得到實測值。將理論值與實測值進行對比分析，可知在懸臂施工過程中：（1）線形控制方面，理論線形和實測線形變化規(guī)律一致，兩者之間最大偏差僅為0.15 cm；（2）應力控制方面，橋墩墩頂截面理論應力值和現(xiàn)場實測應力值變化規(guī)律相同，兩者誤差較小，墩頂截面基本處于受壓狀態(tài)。因此，在懸臂施工過程中對線形和應力的控制效果較好，可滿足設計和施工要求。

橋梁施工; 線形控制; 應力控制

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋是一種主梁與橋墩固結(jié)的橋梁[1]，其是在T型剛構(gòu)和連續(xù)梁橋基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[2]，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其施工方便、橋型簡潔大方、橋墩高且柔、主梁與橋墩固結(jié)以及較強跨越能力等優(yōu)點，近些年被廣泛應用[3]。但隨著其跨度的不斷增大，施工難度也越來越大[4]，其中珍珠大橋、小尖山大橋、堤溪沱江大橋等[5]均因施工不當發(fā)生事故，因此研究其懸臂施工過程中應力和位移的變化，保證其施工安全極為迫切和重要。

某二級公路需新建一座高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋（94+172+94）m，橋梁立面圖如圖1所示，設計時速為60 km/h，橋梁地震動反應特征周期為0.45 s，橋梁設計荷載等級為公路Ⅰ級。本橋的主梁為變高度單室單箱箱梁，其中梁高在墩梁固結(jié)處的高度為11.2 m，跨中及邊跨支座處的梁高為3.8 m，1#塊根部箱梁的高度為10.42 m，漸變線為2次拋物曲線。箱梁的頂板厚0.28 m，底部和頂部寬分別為6.0 m和9.0 m。該剛構(gòu)橋共有4個橋墩，其中4#和5#為薄壁矩形空心剛構(gòu)墩，墩高分別為112 m和92 m。3#和6#為邊跨交界矩形實心墩，墩高分別為26.2 m和21.0 m，橋墩截面長為6 m，寬為2.5 m。

該橋主梁選用的施工方法為掛籃懸臂法施工，橋梁的施工階段劃分如下：4#和5#墩中跨和邊跨方向分別有梁段18塊，當懸臂施工至最大懸臂段時，進行邊跨合龍施工，然后進行中跨合龍施工。0#梁段長度為14.0 m，1#～4#梁段每個節(jié)段長3.50 m，5#～10#梁段每個節(jié)段長4.0 m，11#～18#梁段每個節(jié)段長5.0 m，邊跨合龍段長度為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長為5.0 m，中跨合龍段長為2.0 m。4#墩懸臂施工梁段劃分如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖/cm

圖2 4#墩懸臂施工梁段劃分圖

1 有限元模型的建立

考慮到該大橋的結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場施工進度安排，利用有限元軟件Midas Civil[6]進行仿真計算，研究各工序主梁的內(nèi)力和變形。全橋的有限元模型共計有176個單元和192個節(jié)點。主梁和主墩采用梁單元進行模擬，利用彈性連接的剛性對梁墩固結(jié)進行模擬，利用受壓的彈性連接對邊跨現(xiàn)澆段托架進行模擬。全橋的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2 主梁的線形控制

2.1 梁體預拱度

在施工過程中，梁體會由于收縮徐變、自重等因素產(chǎn)生豎直向下的位移[7]，從而使得梁體的理想狀態(tài)和實際位置之間產(chǎn)生偏差[8]，嚴重時可導致成橋后的線形不符合驗收要求甚至發(fā)生無法合龍的問題。因此必須對橋梁進行線形控制，嚴格控制每一段立模高度，控制誤差。通過有限元計算，得到懸臂施工過程中各個梁段的理論預拱度，由于篇幅關(guān)系，本文只列出了4#墩的預拱度（未考慮掛籃變形），如圖4～圖6所示。

圖4 梁體收縮徐變后的累積位移

圖5 活載作用下的豎向位移

圖6 未考慮支架和掛籃變形的預拱度

由圖4可知，梁體的豎向位移受混凝土的收縮徐變影響較大，邊跨的影響程度小于中跨。由圖5可知，作用在梁體上的活載使梁體產(chǎn)生豎直向下的位移，因為邊跨跨度小于中跨跨度，因此活載在邊跨產(chǎn)生的豎向位移比中跨的小。圖6中的預拱度為活載產(chǎn)生的位移的1/2加上10年后收縮徐變的位移得到的，在計算時未考慮掛籃和支架的變形，在實際過程中不能忽視。此橋的橋墩較高，由于收縮徐變等因素產(chǎn)生的墩身豎向位移較大，再加上梁段與主墩之間的固結(jié)作用，因此在0#塊梁段處預拱度值發(fā)生了突變。為了保證收縮徐變后以及成橋后的線形滿足設計施工要求，當進行墩頂施工時應該充分考慮橋梁墩身的豎向變形，并進行一定程度的補償。

2.2 位移監(jiān)測方案

根據(jù)該橋梁的施工監(jiān)測方案，位移測點主要包括懸臂梁段的測點和位于墩頂上部0#塊梁體的控制點。其中懸臂梁段在各個梁體的端部設置位移測點如圖7所示。

圖7 位移監(jiān)測點布置圖

在進行測點布置時，應該綜合考慮便于測量和不妨礙施工兩方面因素，本次監(jiān)測將測點設置在掛籃軌道的內(nèi)部。懸臂澆筑階段每個斷面上設置5個測點，其中底板和頂板上分別設置2個和3個。在觀測過程中應盡量減少溫度的影響，盡可能的在太陽出來之前進行觀測，應根據(jù)施工進度來確定各個階段的變形監(jiān)測時間。

2.3 線形控制分析

由于篇幅關(guān)系，本文僅選取4#墩上8#梁段對應的施工階段進行實測線形和理想線形進行對比，具體如圖8所示。

圖8 4#墩8#梁段線形對比圖

由圖可知，在懸臂施工過程中，理論線形和實測線形之間存在一定的偏差，其原因可能為測點鋼筋變形、測量誤差等原因，但最大偏差值僅為0.15 cm，且實測線形與理論線形變化規(guī)律一直，可證明施工控制效果較好。

3 主梁的應力控制

應力控制是橋梁施工監(jiān)控中的重要組成部分，其主要目的是保證施工過程中橋梁各個節(jié)點和成橋后橋梁受力狀態(tài)滿足要求。

3.1 應力監(jiān)測方案

本文以4#橋墩上的懸臂端施工為例，其測點設置如圖9所示。

圖9 應力測點布置圖

3.2 應力控制分析

1#～9#梁段懸臂的施工過程的實測值與理論值之間的對比圖如圖10～圖11所示。

圖10 4#墩墩頂截面應力對比圖（小里程）

圖11 4#墩小里程墩頂截面應力對比圖（大里程）

由圖可知，在1#～9#梁段懸臂的施工過程中，1#～3#梁段在進行張拉后其底板受拉，但是拉力較小，最大值僅為0.725 MPa，不影響結(jié)構(gòu)安全。隨著施工的推進，頂板受壓值逐漸增大。頂板受壓，這與主梁懸臂階段受力特點類似，各個梁段的理論應力值與實測應力值的變化規(guī)律相似。隨著懸臂施工的推進，底板應力值逐漸變大。理論應力值和實測應力值之間的偏差是由于收縮徐變、溫度等原因造成的，兩者之間偏差較小，處于安全范圍內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

針對某二級公路上的新建高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)基于有限元軟件Midas Civil建立仿真模型對該連續(xù)剛構(gòu)橋4#墩懸臂施工過程中主梁線形與應力進行研究得出：（1）主梁的線形控制：研究了位移測點的布設和測量內(nèi)容，通過對比分析1#～9#梁段有限元計算得到的理論線形和現(xiàn)場監(jiān)測得到的實測線形，通過對比分析可知，在懸臂施工過程中理論線形和實測線形變化規(guī)律相同，兩者偏差較小，在可控范圍內(nèi)，現(xiàn)場施工對線形的控制比較好；（2）主梁的應力控制：首先對應力測點的布置及其測試內(nèi)容進行了分析，然后分析了在施工過程中橋墩墩頂截面理論應力值和現(xiàn)場實測應力值之間的關(guān)系，兩者變化規(guī)律基本相同，偏差較小，在安全范圍內(nèi)，現(xiàn)場施工主梁應力控制較為合理。

[1] 王解軍,隆佩欽,黃斌.大跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制分析[J].公路工程,2016,41(2):148-150,161

[2] 趙金鋼,李晰,賈宏宇,等.場地及碰撞效應對連續(xù)剛構(gòu)橋剪切易損性影響[J].山東建筑大學學報,2019,34(5):27-35

[3] 趙金鋼,賈宏宇,李晰,等.基于實際場地和碰撞雙重效應的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋易損性分析[J].華南理工大學學報 (自然科學版),2019,47(1):64-74

[4] 王銘,高燕梅,周志祥,等.鋼桁-砼組合連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)構(gòu)造及分析[J].公路工程,2015,40(4):67-73

[5] 單德山,張二華,董俊,等.汶川地震動衰減特性及其大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應規(guī)律[J].土木工程學報,2017,50(4):107-115

[6] 沈聰,高培偉,張輝.鋼箱梁大橋橋面鋪裝溫度場有限元分析研究[J].公路工程,2018,43(3):21-25

[7] 王東輝,韓冰,沈大才.平潭海峽公鐵大橋大小練島水道橋鋼桁梁施工關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設,2019,49(6):102-107

[8] 董旭,蔚龍祥,路軍,等.預應力混凝土連續(xù)梁橋溫度-撓度試驗研究[J].公路工程,2016,41(3):198-202

Research on Alignment and Stress Control of Cantilever Construction of High-pier and Long-span Continuous Rigid Frame Bridge

YANG Xiang-ping1, ZHAO Jian-xiang2

1.100027,2.100027,

For a high-pier long-span continuous rigid frame bridge on a second-level highway, based on the finite element software Midas Civil to establish a simulation calculation model, study the main beam alignment and stress during the cantilever construction process, and obtain theoretical values; use the site layout displacement The measuring point and the steel bar stress gauge are used to measure the line shape and stress change of the main beam during the cantilever construction process to obtain the measured value. By comparing and analyzing the theoretical value and the measured value, it can be seen that during the cantilever construction process: (1) linear control, the theoretical and measured linear changes are consistent, and the maximum deviation between the two is only 0.15 cm; (2) stress control The variation of the theoretical stress value at the top of the pier and the measured stress value at the site is the same, the error between the two is small, and the section of the top of the pier is basically under compression. Therefore, it can be seen from the above that in the cantilever construction process, the control of the shape and stress is better, which can meet the design and construction requirements.

Bridge construction; alignment control; stress control

U445

A

1000-2324(2021)03-0525-04

2019-12-07

2020-02-05

中交路橋建設有限公司:寬幅連續(xù)剛構(gòu)橋輕型掛籃設計研究(ZJLJ-2016-27)

楊相平(1969-),男,碩士,高級經(jīng)濟師,研究方向:道路橋梁. E-mail:yangxp196983@163.com