懸臂澆筑梁橋合龍段施工臨時鎖定布置與計算

安克選

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東青島 266100)

1 概述

懸臂澆筑預應力混凝土梁橋(包括連續梁橋和連續剛構橋)的施工，都涉及到合龍段的施工，合龍段的施工標志著橋梁主體結構即將完成，在這一施工過程中，隨著邊界條件的變化結構將實現體系轉換(由靜定結構轉化為超靜定結構)，該階段的施工也是全橋施工最為關鍵又最為不利的階段之一。合龍段施工中臨時聯結(勁性骨架)的設置與計算在所有的懸臂施工中必不可少。

本文以哈大客運專線文官屯特大橋(60+100+60)m跨懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋施工為背景，分析其合龍段施工中勁性骨架的計算，并揭示連續梁橋和連續剛構橋在合龍段施工中受力分析的不同之處。

2 合龍段受力分析

分析合龍段混凝土的受力狀態必須先分析影響合龍段受力的因素。

2.1 影響合龍段受力的因素

2.1.1 日照與溫度

隨著日照與氣溫的變化，懸臂兩端梁體以及合龍段混凝土不斷產生伸縮變形，而在通過合龍段的預應力束張拉之前，由于合龍段混凝土受水化熱的影響，基本上處于不斷升溫的狀態(即合龍段混凝土處于逐漸變長的狀態)，故受外界影響較小，而對于較長的兩端懸臂梁段，氣溫變化則是引起其伸縮變形的主要因素，這種伸縮變形使合龍段混凝土承受拉壓應力。

另外，日照的不均勻使梁體頂面與底面存在溫差，進而引起梁體產生撓度(特別是在晝夜溫差較大的地區或跨度較大的橋梁顯得尤為明顯)，這種撓度會使合龍段上下邊緣產生局部拉壓應力。

當各種因素引起的拉壓應力一旦超過混凝土的抗拉壓強度，都將會造成合龍段混凝土拉裂或局部被壓碎。

2.1.2 其他因素的影響

施工荷載的影響，合龍段施工時由于懸臂段較長，懸臂端頭標高受施工荷載等其他不平衡荷載的影響較為敏感，當某種因素一旦引起合龍段兩端相對位移超出控制范圍，都將會導致合龍段混凝土產生裂縫。因此施工過程中應特別注意橋面施工荷載以及材料堆放等各種活載對懸臂端頭標高的影響。

設置勁性骨架的作用就是鎖定合龍段兩端，限制其發生相對位移(包括水平、垂直位移和轉角位移)，使其控制在允許范圍之內，從而保證合龍段混凝土在各種因素的影響下不致開裂或壓碎。

2.2 合龍段受力分析

2.2.1 溫度變化產生的軸向力分析[1]

首先，假定合龍段兩側支座都是固結約束，墩身無位移，計算簡圖如圖1所示，為簡化計算，變截面箱梁分段按照平均截面計算，則溫度變化引起合龍段受軸向力分析如下。

圖1 溫度變化受力計算圖示

設梁體升溫Δt時產生自由伸長量為ΔLt，即:

因ag=ah，則:

兩端約束產生的縮短量為ΔLN，則:

根據變形協調原理，ΔLt=ΔLN。

得:

式中:N——梁體因溫度變化時所受軸力;

ah——混凝土的線膨脹系數;

ag——鋼材的線膨脹系數;

L——合龍跨總長;

Lh——單側懸臂澆筑長;

Lg——合龍段剛性支撐長度;

Eg——鋼的彈性模量;

Eh——混凝土的彈性模量;

———箱梁第i段平均截面積;

———箱梁第i階段長度;

n——單側懸臂澆筑節段數。

當兩端固結約束時，按上式計算得出其由溫度影響產生的軸向力相當大，在這種邊界條件下進行合龍段施工一般無法實現，因為合龍段兩端相對位移很難控制在允許范圍之內，容易造成合龍段混凝土開裂或局部被壓碎(甚至于剛性聯結無法承受)。

要想保證合龍段兩端相對位移控制在允許范圍之內進行合龍段施工，對于連續梁橋，在合龍段鎖定之后應立即解除一端的支座固結約束，使其變為縱向活動支座，從而使梁體可以沿軸向滑動，此時合龍段兩側的相對位移直接作用于勁性骨架，進而傳遞給支座。解除一端支座固結約束后，連續梁橋中跨合龍計算簡圖如圖2所示，在合龍前勁性骨架安裝后對張拉臨時預應力束，此時合龍段剛性聯結所承受的軸向力為:

當升溫Δt時:

當降溫Δt時:

其中，Q為解除約束側活動支座上梁體的重量;f為支座的動摩擦系數，一般取0.05;Ny為臨時預應力束張拉力。

可見勁性骨架軸力由升溫控制，依據抗裂安全要求，取降溫時，N=Ny－Q×f=0。

得出Ny=Q×f。

圖2 連續梁橋中跨合龍計算簡圖

而對于連續剛構橋，要想保持合龍段兩側梁端相對水平位移不變則主要靠墩柱的頂部側移來實現，即合龍段兩側相對位移通過勁性骨架傳遞給墩柱，其計算簡圖如圖3所示。

圖3 連續剛構橋中跨合龍計算簡圖

中跨合龍段兩側梁體處于自由懸臂狀態時，當溫度變化為±Δt時，單側懸臂伸長或縮短量為:

其中，ah為梁體的溫度線膨脹系數;Lh為單側懸臂梁長。

忽略梁體軸向變形，并假定勁性骨架無變形，所有變形均由柱頂側移來實現，則勁性骨架所受軸力為:

其中，K為墩柱的抗側剛度(一般零號塊的剛度較大，建議按照兩端剛節點進行電算)。

對于邊跨合龍(無論是連續梁橋還是連續剛構橋)計算如圖4所示。

同連續梁橋中跨合龍一樣:

當升溫Δt時:

當降溫Δt時:

其中，Q為現澆段梁體重量;f為現澆段支架與梁體之間的摩擦系數。

圖4 邊跨合龍計算圖示

2.2.2 溫差引起的合龍段彎曲分析

由于梁體朝向及日照不均勻以及氣溫的升降，梁體在沿截面豎向往往存在溫差梯度，這種溫度梯度引起梁體沿豎向發生撓度，對于中跨合龍，由于合龍段兩側懸臂段是對稱的，根據對稱原理，對稱結構在對稱荷載作用下對稱軸截面反對稱內力為零。對于邊跨合龍，由于勁性骨架一邊連結邊跨現澆段，一邊連結懸臂段，因支架現澆段有支架的支撐作用，故在溫度變化時豎向變形較小，但懸臂段由于沿梁截面高度方向在溫度梯度的作用下產生豎向位移，這將給勁性骨架附加一定的剪切應力，溫度梯度還會附加給勁性骨架一定的彎矩，剪切及彎曲應力一般多采用電算。

3 勁性骨架的設計

3.1 計算截面積

通過前面計算出勁性骨架的軸力后由強度計算理論不難求出總截面積:

其中，σj為勁性骨架的設計強度;A為勁性骨架的總截面積。

3.2 驗算變形

通過強度理論計算出勁性骨架截面積后，根據混凝土的變形要求驗算勁性骨架的變形:

其中，Ej為勁性骨架的彈性模量;混凝土結構設計規范規定的混凝土極限壓應變，一般為0.002～0.006(此時N值應取自合龍段混凝土澆筑開始后勁性骨架軸力的最大變化值)。

3.3 勁性骨架的布置

通常勁性骨架的布置有兩種方案，即體外勁性骨架和體內勁性骨架，體內勁性骨架是指將勁性骨架設置在合龍段梁體的混凝土內，體外勁性骨架是指將勁性骨架設置在梁體頂、底板頂面或腹板的內(外)側。考慮到勁性骨架除了承受軸力外還承受一定的剪切力(有時還承受不確定荷載引起的扭轉作用)，因此勁性骨架水平位置宜設在頂板和底板的腹板附近，為了增強勁性骨架的抗剪或抗扭能力，常常加設斜撐。

體內勁性骨架的缺點有兩個:1)施工階段梁體的鋼筋與預應力束布置很不方便，且混凝土澆筑難以振搗密實。2)體內勁性骨架是在合龍前配重和懸臂梁體兩端標高調節完畢后焊接或錨栓于事先在最后一個號塊預埋的鋼板或型鋼上，這對預埋件位置的準確性要求較高，因此實際工程中很少使用。

3.4 勁性骨架與懸臂梁端的聯結

勁性骨架與最后一個號塊梁端的聯結常采用焊接或栓接，栓接是指在最后一個號塊端頭埋設預埋螺栓，勁性骨架設有相應的螺栓孔，合龍前直接將勁性骨架就位后栓接即可，但栓接對預埋螺栓的位置要求較高，因此一般很少采用;焊接是指在最后一個號塊施工時于端頭預埋鋼板，合龍前將勁性骨架就位后直接焊接在鋼板上。

4 工程實例

4.1 工程概況

哈大客運專線文官屯特大橋跨既有京哈線(60+100+60)m跨懸臂澆筑連續梁橋，與既有京哈線交角為18°，全橋跨78號，79號，80號，81號墩，1號～13號塊為懸臂澆筑號塊，14號塊為邊跨合龍段，14′號塊為中跨合龍段，15號塊為兩邊跨現澆段，現澆段采用滿堂支架現澆，節段布置示意圖如圖5所示。

圖5 節段布置示意圖

4.2 支座設置及結構特性

80號墩為固定墩，79號墩為非固定墩，78號、81號墩為聯結墩，固定墩上設置固定支座，其余墩上設置活動支座，為了滿足懸臂澆筑施工要求，在79號、80號墩上均設置了臨時固結(因此在未拆除臨時固結前79號、80號均相當于固定支座)，梁體各個節段重量見表1。

表1 梁體各部位重量表

4.3 合龍順序與臨時聯結方案

該橋梁合龍采用先合龍邊跨再合龍中跨的逐孔合龍方案。臨時聯結采用體外勁性骨架，并預張拉部分通過合龍段的鋼絞線(選擇了較短且走向平直的鋼束進行張拉，因為平直的鋼絞線可以減小張拉時梁體的撓度)。合龍順序為:安裝邊跨合龍段勁性骨架，張拉邊跨臨時預應力束，進行邊跨合龍段混凝土澆筑，待邊跨合龍段混凝土強度達到設計要求后，張拉部分邊跨底板束鋼絞線，拆除中墩支座固結約束，張拉剩余邊跨鋼絞線，拆除邊跨現澆段支架，安裝中跨合龍段勁性骨架，張拉中跨臨時預應力束，進行中跨合龍段混凝土澆筑，待中跨合龍段混凝土強度達到設計要求后張拉中跨預應力束。混凝土澆筑選擇在連續幾天氣溫最低時候進行，以保證混凝土澆筑后合龍段始終處于受壓狀態。

邊跨合龍時因15號塊在滿堂支架上現澆，梁體沿縱向水平滑動較易實現，中跨合龍在落梁和臨時固結解除后進行，此時只有80號墩為固定支座，其他墩均為活動支座，梁體沿縱向水平滑動也較易實現。

4.3.1 勁性骨架計算

取現澆段與支架之間的摩擦系數f=0.15，活動支座與梁體摩擦系數f=0.05。

邊跨合龍:

確定臨時張拉束張拉力為:

勁性骨架承受最大軸力為:

中跨合龍:

確定臨時張拉束張拉力為:

勁性骨架承受最大軸力為:N2=Ny2+Q×f=5 313.2 kN，N2＞N1，故按照中跨設計勁性骨架比較安全。

取 4根40b工字鋼Ag=4×94.07=376.28 cm2＞260.0 cm2。

4.3.2 臨時張拉預應力束及張拉力的確定

邊跨合龍前選擇較平順且相對較短的四束(頂板、底板各兩束)預應力束進行張拉，每一束臨時張拉力為633.40 kN/4=158.35 kN，實際按照160 kN進行張拉;中跨合龍前選擇平順且相對較短的兩束底板束及兩束頂板預備束進行臨時張拉，每一束張拉力為2 656.6/4=664.15 kN，實際按照700 kN進行張拉。

4.4 勁性骨架設置

勁性骨架分別布置在頂板與底板頂部靠近腹板位置，并與事先預埋在最后一個號塊的鋼板可靠焊接，焊縫計算略。

4.5 合龍效果

通過合龍后實際效果來看，合龍段沒有出現裂紋，符合設計及規范要求。

[1]張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋[M].北京:人民交通出版社，2004

[2]GB 50010－2011，混凝土結構設計規范[S].

[3]GB 50017－2003，鋼結構設計規范[S].