連續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋線形監(jiān)控影響因素對比分析

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安　710043)

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連續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋線形監(jiān)控影響因素對比分析

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安710043)

摘要：為對比研究連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋施工監(jiān)控中的主要影響因素,對相同梁部結(jié)構(gòu)的連續(xù)剛構(gòu)體系和連續(xù)梁體系進行有限元建模,分析設(shè)計參數(shù)、預(yù)應(yīng)力張拉階段及合龍工序?qū)α后w累計位移的影響,將梁體累計位移和合龍口兩端的累計位移差作為線形監(jiān)控難度的控制標(biāo)準(zhǔn),對各種影響因素進行綜合分析和評價。研究發(fā)現(xiàn),相對于連續(xù)梁橋,預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和合龍工序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋的影響較小。根據(jù)分析結(jié)果,指出預(yù)應(yīng)力張拉時的結(jié)構(gòu)體系對連續(xù)梁體系橋梁的累計位移影響較大,進一步分析了影響原因并提出較合理的合龍工序。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；連續(xù)梁橋；施工工序；累計位移；線形；監(jiān)控

連續(xù)剛構(gòu)橋由于其施工過程中不發(fā)生體系轉(zhuǎn)換、適于懸臂施工而成為大跨度橋梁非常有競爭力的橋型。在跨越較寬的山谷和河流時經(jīng)常采用多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，其懸臂施工需要經(jīng)過復(fù)雜的施工過程，而合龍段的施工是大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工的重要環(huán)節(jié)，多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍順序的差異是影響合龍后梁體線形及應(yīng)力的重要因素之一。在橋梁合龍階段，施工工序的差異會對橋梁結(jié)構(gòu)的累計位移[1]及成橋內(nèi)力[2，3]產(chǎn)生影響，施工工序包括合龍段的合龍順序、預(yù)應(yīng)力張拉順序等[4]。為保證懸臂施工過程中的梁體線形，需要對連續(xù)剛構(gòu)橋進行線形監(jiān)控[5]，在懸臂施工過程中設(shè)置合適的預(yù)拱度以消除施工過程中發(fā)生的位移。預(yù)拱度的主要計算依據(jù)為橋梁成橋階段的累計位移[6]，故本文將梁體施工過程的累計位移和合龍口兩端的累計位移差作為線形監(jiān)控的難度的控制指標(biāo)。

研究表明，不同的合龍工序?qū)冶凼┕蛄旱某蓸騼?nèi)力以及累計變形有較大的影響[7-12]，目前針對合龍工序?qū)B續(xù)梁橋變形和內(nèi)力影響的研究較多[7，8]，對連續(xù)剛構(gòu)橋影響的研究較少。本文將對連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋進行對比分析，分析兩種橋型的線形監(jiān)控難度影響因素。

王學(xué)華[8]對合龍順序?qū)B續(xù)梁橋的影響進行了研究，研究得出先合龍邊跨后合龍中跨方案對剛性支撐的要求較低，可以降低線形控制的難度。易錦[9]以一座12跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋為工程背景，探討了合龍次序和體系轉(zhuǎn)換順序?qū)υ擃悩蛄旱氖芰妥冃我?guī)律。彭琳琳[10]對嘉紹大橋主航道橋的合龍工藝、合龍順序進行了研究。研究確定該橋按照無應(yīng)力狀態(tài)幾何控制法進行頂推合龍施工的方案。陳淮[11]探討了主梁合龍順序、邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架拆除時機和主梁中跨合龍段頂推力的優(yōu)化調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)問題。陳列[12]針對復(fù)雜山區(qū)鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋選用連續(xù)梁橋式還是連續(xù)剛構(gòu)橋式的方案設(shè)計問題，結(jié)合渝懷鐵路具有代表性的幾座橋梁設(shè)計，對橋式方案的比選，以及中跨與邊跨合理的合龍順序進行了研究。

為對比研究施工工序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的影響，對比分析連續(xù)剛構(gòu)體系和連續(xù)梁體系受預(yù)應(yīng)力張拉順序等的影響程度，以一座(65+2×112+65) m連續(xù)剛構(gòu)橋為例，分析了施工工序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋的影響，并且將連續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋進行對比，探討施工工序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋線形影響。

1工程背景

某鐵路(65+2×112+65) m連續(xù)剛構(gòu)橋，梁段按照施工順序劃分為19種95個梁段，剛構(gòu)墩頂0、0′號段長11 m，1～5號梁段長3.0 m，6～8號梁段長3.5 m，9～14號梁段長4.0 m，15號梁段長3.0 m，為邊跨側(cè)非對稱懸臂施工超打節(jié)段，16、16′號梁段為合龍段，梁段長2.0 m，17號梁段為邊支點現(xiàn)澆段，梁段長5.8 m，其中采用掛籃施工的最重梁段為1號梁段，重約1 800 kN。邊跨側(cè)懸臂最大為15段，中跨側(cè)懸臂最大梁段數(shù)為14段。該橋橋型布置如圖1所示。

圖1　(65+2×112+65) m連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置(單位：cm)

本橋采用掛籃懸臂施工方式，由于單側(cè)邊墩較高，設(shè)計合龍順序為懸臂施工到14號梁段→中跨合龍→邊跨懸臂施工15號梁段→邊跨合龍。

2有限元模型

采用橋梁博士軟件對該橋進行了建模，根據(jù)設(shè)計圖反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋劃分為168個節(jié)點和167個單元。有限元模型如圖2(a)所示。

為對比分析預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的影響，建立了結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、施工步驟等與連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)完全相同的連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋模型如圖2(b)所示，共劃分為131個節(jié)點、130個單元。

圖2　有限元模型

3參數(shù)敏感性分析

在橋梁懸臂施工線形監(jiān)控過程中，有很多因素會影響橋梁的成橋累計位移和施工過程中的預(yù)拱度值，如：材料彈性模量，材料容重，收縮徐變，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等，這些設(shè)計參數(shù)的的變化會使橋梁實際變形與理論變形產(chǎn)生誤差，從而影響預(yù)拱度的設(shè)置。為了解設(shè)計參數(shù)對線形監(jiān)控的影響程度，在原設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計參數(shù)增大和減小10%，分析各個參數(shù)的影響程度，僅給出各個參數(shù)增大10%的分析結(jié)果，為對比分析連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋受設(shè)計參數(shù)影響的程度，對兩種體系按照原設(shè)計施工工序均進行了參數(shù)敏感性分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3　設(shè)計參數(shù)對累計位移的影響

由圖3可以看出，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋累計位移的影響有一定的差異。

(1)對于連續(xù)剛構(gòu)體系，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)增加使梁體累計位移總體上移，對梁體的最大位移影響最大；容重增加使梁體總體下移，對梁體的最小位移影響最大。對比原設(shè)計參數(shù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)的變化沒有改變梁體的位移變化趨勢，且對連續(xù)剛構(gòu)橋累計位移的影響不大，基本與參數(shù)變化量相同，在10%左右；連續(xù)剛構(gòu)橋合龍口兩端的累計位移差主要由不平衡梁段的自重引起。

(2)對于連續(xù)梁體系，由于先合龍中跨，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)增加了中跨向上的位移，但增加了邊跨懸臂端的向下的累計位移；其余參數(shù)對連續(xù)梁體系的影響基本與連續(xù)剛構(gòu)橋一致。

(3)由于連續(xù)剛構(gòu)橋有限元建模需要考慮橋墩彎曲的影響，施工過程中由梁的自重對橋墩產(chǎn)生軸力引起橋墩的彈性壓縮。而連續(xù)梁也存在此部分橋墩的壓縮變形，但連續(xù)梁的橋墩不存在彎曲變形，其影響較小，故連續(xù)梁橋模型中未考慮橋墩的影響。

4預(yù)應(yīng)力張拉階段調(diào)整對累計位移的影響

合龍段預(yù)應(yīng)力的張拉工序是連續(xù)剛構(gòu)橋施工中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為了探究施工過程中預(yù)應(yīng)力張拉工序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋累計位移的影響，不改變原設(shè)計的預(yù)應(yīng)力鋼束布置，僅改變預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序，原設(shè)計張拉方案為中跨合龍后，張拉所有中跨預(yù)應(yīng)力鋼束；對比方案為中跨合龍后張拉50%預(yù)應(yīng)力鋼束，分析對比預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋累計位移的影響，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4　預(yù)應(yīng)力張拉階段調(diào)整對連續(xù)剛構(gòu)橋累計位移的影響

為對比分析預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的影響，建立了結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、施工步驟等與連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)完全相同的連續(xù)梁橋，其預(yù)應(yīng)力張拉順序也分別采用中跨合龍完張拉全部鋼束和張拉50%鋼束兩種方案，等跨連續(xù)梁的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　預(yù)應(yīng)力張拉階段調(diào)整對連續(xù)梁橋累計位移的影響

由圖4、圖5可見。

(1)改變預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉階段對連續(xù)剛構(gòu)橋的影響較小，邊跨側(cè)向下的位移由原設(shè)計值6.05 cm增加為6.76 cm；中跨側(cè)的位移變化很小。

(2)改變預(yù)應(yīng)力的張拉階段對同等跨度的連續(xù)梁橋的影響較大，邊跨側(cè)向下的位移由原設(shè)計值13.4 cm減小為8.84 cm；中跨側(cè)向上的位移由原設(shè)計值4.36 cm減小為2.09 cm，中跨合龍后僅張拉部分預(yù)應(yīng)力鋼束將減小梁部結(jié)構(gòu)的累計位移值，且減小了合龍口兩側(cè)的累計位移差，施工階段合龍口兩側(cè)設(shè)置的預(yù)拱度差值也較張拉全部預(yù)應(yīng)力束的小，故施工監(jiān)控的難度相對也小一些。

(3)對比連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的累計位移結(jié)果可見，由于改變預(yù)應(yīng)力張拉階段，連續(xù)梁僅考慮彎矩項的影響即可，而連續(xù)剛構(gòu)橋除了引起位移的彎矩項外，還需要考慮梁的軸向縮短引起的剛構(gòu)墩和梁的彎曲變形，連續(xù)梁橋及連續(xù)剛構(gòu)橋在中跨合龍段預(yù)應(yīng)力引起的變形如圖6所示。

圖6　中跨合龍段預(yù)應(yīng)力引起的變形

對于連續(xù)梁橋僅需要考慮圖6(a)所示的梁部彎曲變形，故張拉100%和50%的中跨合龍段預(yù)應(yīng)力相比，連續(xù)梁梁體的累計位移相差較大；而連續(xù)剛構(gòu)橋需要考慮圖6中的兩種情況，而兩種情況下的位移方向相反，數(shù)值較為接近，故張拉100%和50%的中跨合龍段預(yù)應(yīng)力相比，連續(xù)剛構(gòu)橋梁體的累計位移相差較小。

5合龍順序?qū)塾嬑灰频挠绊?/p>

橋梁結(jié)構(gòu)的合龍順序在連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中至關(guān)重要。由于合龍順序的不同，施工過程中的結(jié)構(gòu)體系將有很大的差異，各種不同的結(jié)構(gòu)體系在受力變形上也有較大的差異。合龍順序若發(fā)生改變，橋梁的累計位移可能會發(fā)生很大甚至方向上的差異。

對于4跨連續(xù)剛構(gòu)橋，目前常見的合龍順序有兩種：方案1先邊跨再中跨合龍；方案2先中跨再邊跨合龍。該橋原設(shè)計方案采用的是先中跨再邊跨合龍的合龍順序，為對比分析合龍順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的影響，分別對連續(xù)剛構(gòu)橋和同等上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁橋按照方案1和方案2進行了分析，合龍完即張拉該合龍段的全部預(yù)應(yīng)力鋼束，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7　合龍順序?qū)塾嬑灰频挠绊?/p>

由圖7可見：

(1)改變合龍順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)橋的影響不大，兩種情況下的變形趨勢及變形值均相差不大。

(2)改變合龍順序?qū)B續(xù)梁橋的影響較大，先中跨合龍方案的累計位移較大，且邊跨合龍口兩端的累計位移差較大，累計位移差最大為13.95 cm，先中跨合龍的連續(xù)梁的線形監(jiān)控難度相對較大；先邊跨合龍的連續(xù)梁累計位移較小，邊跨合龍口兩端的位移差僅為1.3 cm，對于連續(xù)梁橋，在條件允許的情況下先合龍邊跨可以大大降低線形監(jiān)控中預(yù)拱度設(shè)置和預(yù)測的難度。

(3)由于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)先合龍中跨后張拉所有預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉鋼束時的結(jié)構(gòu)體系為簡支帶兩端懸臂梁，邊跨合龍口兩側(cè)的累計位移差主要由預(yù)應(yīng)力彎曲變形引起，對于連續(xù)梁體系，若先合龍中跨，可在滿足施工過程中應(yīng)力和結(jié)構(gòu)安全的前提下，張拉部分中跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束，以減少其對邊跨合龍口兩端累計位移的影響。

6結(jié)論

對相同上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋建立了有限元模型，分析了設(shè)計參數(shù)、預(yù)應(yīng)力張拉階段和合龍順序?qū)煞N體系施工監(jiān)控難度即累計位移和合龍口兩端位移差的影響，主要結(jié)論如下：

(1)除預(yù)應(yīng)力效應(yīng)外，各設(shè)計參數(shù)對連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋的累計位移影響基本相同；

(2)由于在預(yù)應(yīng)力作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋梁部變形需要綜合考慮梁部彎曲變形及剛構(gòu)墩受梁的軸向縮短引起的彎曲效應(yīng)的影響，調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉階段對連續(xù)剛構(gòu)橋的梁部變形影響不大；

(3)預(yù)應(yīng)力張拉階段的調(diào)整對連續(xù)梁橋的影響較大，在條件允許的情況下建議采用先邊跨合龍的施工順序；若僅能采取先中跨合龍，可以張拉部分預(yù)應(yīng)力鋼束，在全橋合龍后再張拉剩余鋼束以降低線形監(jiān)控的難度；

(4)對于懸臂施工的橋梁結(jié)構(gòu)，可在設(shè)計階段調(diào)整預(yù)應(yīng)力的張拉階段及合龍工序，以使得梁體的累計位移最小且合龍段兩端的累計位移差較小，從而降低線形監(jiān)控的難度。

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Comparative Analysis of the Influence Factors on the Linear Monitoring of Continuous Rigid Frame Bridge and Continuous Girder BridgeZHAO Rui-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Finite element models of continuous rigid frame system and continuous beam system with the same beam structure are established in this paper to conduct a comparative study on the dominant influencing factors involved in the construction monitoring of rigid frame system and continuous beam system bridges, and the influences of design parameters, tensioning stage and closure procedure on the cumulative displacement of girder. The cumulative displacement of girder and the cumulative displacement difference of both sides of the final closures are set as control standards to classify the linear monitoring difficulty and the various involved influencing factors are comprehensively analyzed and evaluated. The results indicate that the pre-stressing effect and the closure process have little influence on the continuous rigid frame bridge compared to the continuous girder bridge. The results of the analysis show that the structural system formed according to different prestress tension process has bigger influence on the cumulative displacement of continuous girder bridge. The influencing factors are further analyzed for reaching an appropriate closure procedure.

Key words：Continuous rigid frame bridge; Continuous girder bridge; Construction procedure; Cumulative displacement; Linear; Monitoring

中圖分類號：U445

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.016

文章編號：1004-2954(2016)02-0077-04

作者簡介：趙瑞鵬(1985—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于長安大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士。

收稿日期：2015-07-13； 修回日期：2015-07-27