魏志峰

(河南漢通公路工程有限公司,河南 鄭州 450000)

近年來,由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有施工難度低、選址靈活和跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸在城市橋梁、高等級(jí)公路及跨河大橋等工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。多跨連續(xù)梁橋的修建一般需要經(jīng)歷多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,是一個(gè)漫長(zhǎng)的分段施工過程,而最終決定連續(xù)梁橋安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵是成橋合龍方案[2]。可見,研究最優(yōu)合龍方案對(duì)多跨連續(xù)梁橋安全施工具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于施工階段對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋影響的研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[3-4]。如王偉等[5]針對(duì)連續(xù)梁橋多跨整聯(lián)同步頂升施工進(jìn)行了分析,計(jì)算了其頂升施工和正常運(yùn)營(yíng)階段箱梁上下緣應(yīng)力和裂縫寬度分布情況,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工方案和加固的重點(diǎn)提出建議,為類似橋梁的頂升改造設(shè)計(jì)提供借鑒;江大全等[6]關(guān)于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)施工控制技術(shù)展開了探討,針對(duì)簡(jiǎn)支變連續(xù)施工的主要過程如臨時(shí)支座安裝、負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉、臨時(shí)支座拆除等進(jìn)行施工技術(shù)總結(jié)與要點(diǎn)分析,提出簡(jiǎn)支變連續(xù)工藝的施工控制技術(shù),保證該工法下的施工過程結(jié)構(gòu)安全;張武洪等[7]基于可靠度反分析理論的連續(xù)梁橋懸臂施工整體傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)評(píng)估進(jìn)行了分析,研究表明參數(shù)的隨機(jī)性會(huì)對(duì)連續(xù)梁橋懸臂施工整體傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)生較大影響,忽略參數(shù)隨機(jī)性的影響會(huì)導(dǎo)致過高地估計(jì)連續(xù)梁橋懸臂施工整體傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);沈建康等[8]基于不同規(guī)范的頂推施工連續(xù)梁橋可靠度進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)依據(jù)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62-2004)[9]計(jì)算得到的施工階段可靠指標(biāo)值比公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 023-85)[10]的結(jié)果大,而依據(jù)JTG D62-2004規(guī)范計(jì)算得到的成橋階段的可靠指標(biāo)值比JTJ 023-85規(guī)范的結(jié)果小。

目前,已有研究?jī)?nèi)容主要集中針對(duì)連續(xù)梁橋施工過程中技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析,在最終成橋階段施工方案對(duì)連續(xù)梁橋的影響方面有待進(jìn)行更深入研究。基于此,以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?采用有限元數(shù)值軟件構(gòu)建橋梁的三維數(shù)值模型,并分別模擬分析不同施工方案在連續(xù)梁橋合龍階段、拆除臨時(shí)固結(jié)后、成橋階段及成橋后的主梁位移和應(yīng)力變化規(guī)律,并通過對(duì)比分析得出了最優(yōu)施工方案。

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋位于地勢(shì)平緩地區(qū),橋梁全長(zhǎng)175.9 m,跨徑布置為28.4 m+5×25 m+22.5 m。該橋上部結(jié)構(gòu)中,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁均采用單箱單室變截面形式,箱梁頂板寬度為5.5 m,底板寬度為3.8 m,懸臂長(zhǎng)度為1.3 m。主梁厚度為2.2 m,主要采用C50混凝土。橋梁寬度為19 m,車道設(shè)計(jì)為雙向四車道,3.5 m(人行道和防撞護(hù)欄)+12 m(行車道)+3.5 m(人行道和防撞護(hù)欄),橋面鋪裝為9 cm水泥混凝土+10 cm瀝青混凝土,公路安全等級(jí)為-1級(jí)。下部結(jié)構(gòu)中均采用雙柱式橋墩作為支撐,橫橋向?qū)挾葹?.0 m,順橋向?qū)挾葹?.8 m,采用鉆孔灌注樁作為橋梁基礎(chǔ),為保證橋梁的承載能力及降低橋梁非彈性變形量,采用落地式滑移支架法施工。橋梁整體布置如圖1所示,圖1中標(biāo)注的A1～A13位置為數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)斷面。

圖1 橋梁整體結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 The overall bridge structural layout plan

2 數(shù)值模型

通過運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋數(shù)值模型,全橋均采用梁?jiǎn)卧M,共包含286個(gè)單元和412個(gè)節(jié)點(diǎn),其中1～112為主梁?jiǎn)卧?共設(shè)置12個(gè)臨時(shí)支座。數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)斷面位置如圖1所示,模型整體示意如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型Fig.2 Model map of bridge finite elements

模型中設(shè)定以下假定條件:假設(shè)橋墩固結(jié)在承臺(tái)上且承臺(tái)剛度非常大;假設(shè)臨時(shí)固結(jié)自身完全剛性;不考慮橋墩剛度對(duì)主梁的影響。邊界條件:采用一般支撐中的固定支座約束所有自由度;支座頂部節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)采用剛性連接,支座頂部節(jié)點(diǎn)和底部節(jié)點(diǎn)采用彈性連接,彈性連接剛度根據(jù)支座實(shí)際剛度輸入;臨時(shí)固結(jié)采用完全固結(jié)方式。考慮荷載作用:恒載:(主梁C50混泥土自重約26 N/m3)+(橋面鋪裝荷載共計(jì)約58 N/m3);活載:汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)+人群活載約3.7 kN/m2;溫度荷載:整體升降溫為-4 ℃～32 ℃,考慮合龍溫度為12 ℃;不均勻沉降:支座沉降取值為-5 mm;收縮徐變?nèi)≈禎M足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)[11]要求,主要結(jié)構(gòu)材料特性取值見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)材料特性

3 結(jié)果與分析

不同合龍順序?qū)︻A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋成橋狀態(tài)具有較大影響,為保證連續(xù)箱梁橋成橋線形及應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求,通過運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算,在荷載作用、邊界條件及材料參數(shù)均不變的條件下,分別模擬分析了3種合龍順序(見表2)對(duì)連續(xù)梁橋合龍階段、拆除臨時(shí)固結(jié)后、成橋階段及成橋3年后主梁的位移和應(yīng)力變化規(guī)律,通過對(duì)比分析得出了最優(yōu)施工方案。

表2 橋梁成橋施工方案

3.1 合龍階段

采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到了方案一、方案二及方案三3種合龍順序?qū)︻A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋合龍階段主梁的位移和應(yīng)力變化曲線,如圖3所示。

圖3 橋梁合龍階段位移及應(yīng)力變化曲線Fig.3 Displacement and stress change curve at the closure stage

圖3(a)為3種施工方案下主梁豎向位移變化情況,從圖3(a)中可看出,3種施工方案橋梁橋墩上各個(gè)截點(diǎn)主梁豎向位移變化基本一致,均無限接近于0,其中橋梁邊跨位置主梁豎向位移為正值,中跨位置豎向位移為較大負(fù)值,最大豎向位移均出現(xiàn)在主梁截點(diǎn)A7位置上,而靠近橋梁邊跨和中跨位置上,施工方案一和方案三主梁發(fā)生的豎向位移變化相似,方案三主梁發(fā)生的豎向位移最大。圖3(b)為3種施工方案下主梁應(yīng)力變化情況,3種施工方案下主梁上、下緣應(yīng)力變化基本相似,均受到壓應(yīng)力作用,說明不同施工方案對(duì)橋梁應(yīng)力影響不大。由此可知,在合龍階段選擇方案一或方案三橋?qū)α贺Q向位移變化影響最小,受到應(yīng)力作用最合理。

3.2 拆除臨時(shí)固結(jié)后

為研究預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋拆除臨時(shí)固結(jié)后主梁的位移和應(yīng)力變化情況,進(jìn)行有限元數(shù)值分析,得出了不同方案豎向位移及應(yīng)力變化曲線,如圖4所示。

圖4 橋梁拆除臨時(shí)固結(jié)后位移及應(yīng)力變化曲線Fig.4 Displacement and stress change curve after the removal of temporary consolidation

根據(jù)圖4(a)可知,3種施工方案橋梁橋墩上各個(gè)截點(diǎn)主梁豎向位移變化基本一致,其中橋梁邊跨和次邊跨位置主梁豎向位移均為正值,中跨位置豎向位移為較大負(fù)值,最大豎向位移均出現(xiàn)在主梁截點(diǎn)A11位置上,而靠近橋梁邊跨和中跨位置上,施工方案二和方案三主梁發(fā)生的豎向位移變化相似,方案一主梁各截點(diǎn)的豎向位移均為最小值。圖4(b)為3種施工方案下主梁應(yīng)力變化情況,3種施工方案下主梁均受到壓應(yīng)力作用,且整體變化趨勢(shì)基本一樣,其中主梁上緣應(yīng)力要大于下緣應(yīng)力作用,說明不同施工方案對(duì)橋梁應(yīng)力影響較小。因此,在拆除臨時(shí)固結(jié)后選擇施工方案一對(duì)橋梁的影響最小。

3.3 成橋階段

方案一、方案二及方案三對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋成橋階段主梁的位移和應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 橋梁成橋階段位移及應(yīng)力變化曲線Fig.5 Displacement and stress change curve at the stage of completion

由圖5(a)可知,3種施工方案在橋梁橋墩上各個(gè)截點(diǎn)主梁豎向位移均趨于0,說明合龍順序?qū)蚨瘴恢玫闹髁贺Q向位移影響不大。橋梁邊跨位置和主梁豎向位移均為正值,其中方案一主梁位移值遠(yuǎn)小于其他方案。中跨位置豎向位移均呈現(xiàn)較大負(fù)值,最大豎向位移均出現(xiàn)在主梁截點(diǎn)A7位置上,其中方案一各個(gè)截點(diǎn)豎向位移均為最小值,說明在成橋階段選擇施工方案一時(shí)主梁的豎向位移最小,可以有效防止橋梁發(fā)生較大的沉降。圖5(b)為3種施工方案下主梁應(yīng)力變化情況,從圖5(b)中可以看出,3種施工方案下主梁均受到壓應(yīng)力作用,不同施工方案主梁上、下緣應(yīng)力均呈相同變化趨勢(shì),說明橋梁應(yīng)力的作用受合龍順序的影響非常小。因此在成橋階段選擇施工方案一對(duì)橋梁的影響最小。

3.4 成橋3年后

為研究預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋成橋3年后主梁的位移和應(yīng)力變化情況,運(yùn)用有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算,得到了不同方案豎向位移及應(yīng)力變化曲線,如圖6所示。

圖6(a)為3種施工方案下主梁豎向位移變化情況,從圖6(a)中可看出,在成橋3年后,3種施工方案在橋梁橋墩上各個(gè)截點(diǎn)主梁豎向位移變化均無限接近于0。橋梁左邊跨A1位置主梁豎向位移為正值,其中方案一主梁豎向位移值最小,而右邊跨A13位置豎向位移同樣接近于0。中跨位置豎向位移為較大負(fù)值,最大豎向位移均出現(xiàn)在主梁截點(diǎn)A7位置上,而靠近橋梁邊跨和中跨位置上,施工方案二和方案三主梁發(fā)生的豎向位移變化相似,方案一主梁發(fā)生的豎向位移均為最小值,說明在成橋3年后施工方案一造成橋梁的豎向位移最小。圖6(b)為3種施工方案下主梁應(yīng)力變化情況,3種施工方案下主梁上、下緣應(yīng)力變化基本相似,均受到壓應(yīng)力作用,說明不同施工方案對(duì)橋梁應(yīng)力影響不大?？芍x擇方案一施工對(duì)成橋3年后的橋梁影響最小。

4 結(jié)論

(1) 采用施工方案一和方案三的主梁豎向位移值最小,施工方案二的主梁豎向位移值最大。3種施工方案對(duì)橋梁應(yīng)力影響不大。因此,針對(duì)合龍階段建議選取方案一或方案三,以保證橋梁安全穩(wěn)定性。

(2) 在拆除臨時(shí)固結(jié)后,采用施工方案一橋梁主梁的豎向位移值最小,在截點(diǎn)A11位置最為明顯,且對(duì)比合龍階段方案一的優(yōu)勢(shì)更為明顯,但橋梁主梁應(yīng)力作用不受施工方案的影響。因此針對(duì)拆除臨時(shí)固結(jié)后施工方案一為最優(yōu)選擇。

圖6 橋梁成橋3年后位移及應(yīng)力變化曲線圖Fig.6 Displacement and stress change curve after three years of completion

(3) 采用施工方案一橋梁主梁的豎向位移值最小,方案二主梁的豎向位移值最大。3種施工方案下橋梁主梁應(yīng)力呈相同變化趨勢(shì)。因此,針對(duì)成橋階段建議選擇方案一。

(4) 在成橋3年后,采用施工方案一橋梁主梁的豎向位移值最小,方案二主梁的豎向位移值最大。3種施工方案下主梁上、下緣應(yīng)力變化基本相似,因此針對(duì)施工3年后選擇施工方案一對(duì)橋梁影響最小。