先簡支后連續混凝土箱梁橋施工順序對結構性能的影響分析

于衛國, 王新定, 孔文銳, 周 毅, 陳 兵, 張 璠

(1.南通路橋工程有限公司,江蘇 南通 226001;2.東南大學,江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著我國交通事業的不斷發展,裝配化、標準化的快捷施工技術不斷得到推廣,先簡支后連續的橋梁施工方法應運而生。該施工方法在二十世紀八十年代中期迅速發展,并在全國范圍內得到了廣泛應用。它兼顧了簡支梁橋可以批量預制、裝配化程度高和連續梁優越的力學性能與使用性能,迅速成為工程建設中等跨徑橋梁時的首要選擇。但是,先簡支后連續梁橋也不是萬全之策,它獨特的施工方法在解決以往簡支梁橋和連續梁橋施工痛點的同時,也產生了新的缺點和難點[1-3]。先簡支后連續梁橋在臨時支座拆除前是簡支梁受力形式,當負彎矩預應力張拉后,臨時支座被拆除,橋梁將變為連續梁受力形式。在此過程中,如果預應力張拉和拆除臨時支座兩道工序操作不當,將在橋梁結構內引起內力重分布,會對成橋結構的內力產生影響[4]。采用有限元方法,探究不同施工順序對先簡支后連續預應力混凝土箱梁橋結構受力性能的影響,以期優化該類橋梁的施工工序,為今后同類橋梁施工提供參考與借鑒。

1 工程概況

橋梁工程位于江蘇中部長江北岸,地貌屬里下河洼地,地勢低洼,地形起伏小,區域內湖蕩星羅棋布,圩田眾多,河道交錯縱橫。該裝配式部分預應力混凝土連續箱梁橋跨徑布置為4×(5×30)mm,橋梁的典型橫斷面如圖1所示。橋寬13.5m,橫向布置4片小箱梁。箱梁梁高1.6m,跨中下箱梁頂板和底板厚度為0.18m,支點處底板加厚至0.30m,二者之間設有2m長的直線漸變段。上部預制箱梁、橫梁、現澆接頭、濕接縫等均采用C50混凝土,預應力材料采用低松弛預應力鋼絞線。標準型鋼絞線單根直徑為15.2mm,鋼絞線截面積為140mm2,抗拉強度標準為1 860MPa,彈性模量為1.95×105MPa。橋梁采用先簡支后連續的施工方法。

2 臨時支座拆除順序對結構受力性能的影響

對于先簡支后連續梁橋,不同的施工順序會引起不同的結構響應[5]。為了使這類橋梁成橋時的受力狀態更加合理和安全,本文探究了不同施工順序對橋梁結構受力性能的影響,采用實體有限元分析方法對不同施工順序進行了仿真分析,包括連續段的混凝土施工順序和臨時支座的拆除順序。

在先簡支后連續梁橋的施工中,體系轉換是尤為關鍵的一步[7]。在各連續段所有預應力筋張拉完成后,將臨時支座拆除,使連續梁落在預先設置好的永久支座上,就完成了簡支變連續的體系轉換[8]。而在臨時支座拆除后,由于臨時支座和永久支座之間存在一定高差(一般為3～5mm),且永久支座在完全支撐主梁前必定要發生一定的變形,且在支點截面處主梁必定會發生一定位移[9-10]。因此,不同支點截面處的相對位移顯然會影響結構的內力狀態,導致應力重分布。研究臨時支座的拆除順序,使這種影響降至最低。通過給永久支座節點添加強迫位移,來模擬臨時支座的拆除,再分別劃分添加強迫位移的順序,模擬實際的拆除順序。臨時支座拆除順序分為三種工況:①依次拆除;②對稱拆除;③間隔拆除。

結合圖2,詳述3種拆除順序。工況①:依次拆除1#、2#、3#、4#臨時支座;工況②:先拆除1#和4#臨時支座,再拆除2#和3#臨時支座;工況③:先拆除1#和3#臨時支座,再拆除2#和4#臨時支座。圖3是箱梁在拆除臨時支座過程中的撓度云圖(以工況①為例)。

圖2 臨時支座示意圖

工況①～③情況下橋梁的撓度變化曲線如圖4所示。表1～表3分別表示了工況①～③情況下拆除過程中各支點截面的頂底板應力。

表1 工況①拆除過程各支點截面頂底板應力(單位:MPa)

表2 工況②拆除過程各支點截面頂底板應力(單位:MPa)

表3 工況③拆除過程各支點截面頂底板應力(單位:MPa)

從圖4中可以看出,不同的臨時支座拆除順序會引起不同的結構響應。在工況①的情況下,拆除2#支座引起的附加撓度最大,在拆除2#臨時支座后,分別在第二跨引起了向下的附加撓度和第四跨引起了向上的附加撓度。在工況②的情況下,1#、4#臨時支座的拆除引起了第三跨向上的附加撓度。在工況③的情況下,1#、3#臨時支座的拆除引起了第五跨向上的附加撓度。但是,這些附加撓度數值均在1mm左右,由此引起的頂底板拉應力也較小,影響不大。從盡量減少支座拆除對結構影響的角度出發,工況②應是最佳選擇。因為在工況②的情況下,橋梁的撓度變化更均勻平緩。工況①每拆除一個臨時支座都會產生附加撓度,工況③則在邊跨引起了附加撓度,這都是不利于結構的受力。

圖4 各工況下橋梁撓度變化曲線圖

從表1～表3可以發現,工況①和工況②在全部臨時支座拆除后,其頂底板最終的拉應力都較小,而工況③在3#支座的頂板的最終拉應力為0.26MPa。在拆除過程中,工況③出現的拉應力也是最大的,在拆除1#和3#臨時支座后,2#支座截面的頂板出現了0.61MPa的拉應力,占2#支座截面頂板負彎矩預應力張拉儲備壓應力的8.7%。雖然頂底板出現的拉應力不足以使混凝土開裂,但是從有利于混凝土結構受力的角度出發,預壓應力儲備應是越多越好。由以上可知,臨時支座的拆除順序采用工況②的對稱拆除為最佳。

3 結束語

本文采用有限元方法對該先簡支后連續預應力混凝土箱梁橋的施工順序進行了仿真分析,從分析結果可以得到結論:在體系轉換中臨時支座的拆除順序,可采用對稱拆除的施工順序。