懸澆法連續梁合龍鎖定力學模型探討

(中國水利水電第十一工程局有限公司, 河南 鄭州 450001)

隨著國內基礎設施的大力建設，跨越高速公路、河流等障礙物時已廣泛使用大跨度連續梁，大部分采用懸臂澆筑法施工，合龍是懸澆法施工的關鍵工序，合龍鎖定更是其中的重中之重。

合龍之前，合攏段兩側的梁段已經施工完成，合龍期間，會因為已澆梁段的熱脹冷縮，導致合攏段的兩側受到拉力或者壓力，新澆混凝土強度低，尤其抗拉能力更弱，若不采取鎖定措施或措施不到位，都會引起合攏段的結構開裂。

本文的力學分析思路采用變形協調原理，結合已建成的京滬高鐵黃河南引特大橋＂——47#～50#跨北繞城高速(40+56+40)m連續梁作為實例，通過對典型懸澆法連續梁邊跨、中跨合龍鎖定力學分析，為類似工程提供參考。

1 邊跨合龍鎖定

1.1 邊跨合龍工序

掛籃及模板就位→綁扎鋼筋、安裝預應力管道→安裝勁性骨架→“T”懸臂端壓配重→澆筑合攏段砼→砼養生至設計張拉強度→拆除內模板→按設計要求解除鎖定→張拉剩余合攏束并壓漿。鎖定選用勁性鋼支撐外部鎖定形式，但是現在主墩上臨時支座未解除，邊跨合龍形象見下圖1-1

圖1-1 邊跨合龍示意圖

1.2 理論模型建立

位于48#墩頂的臨時支座尚未解除，可以認為此時48#墩與梁部固結。

位于47#墩上的48-8#邊跨現澆段，梁段由于支座的摩擦系數遠小于混凝土梁段與鋼模板之間的摩擦系數，趨于保守考慮，可以認為全梁段為混凝土與鋼模板的摩擦力為主，若邊跨現澆段48-8#塊與鋼模板的摩擦力足夠大時，能抵抗整個邊跨梁段的溫度變形產生的內力，可簡化為47#墩與梁體固結，此時力學簡圖如下圖1-2

圖1-2 現澆段摩擦力大于溫度內力時邊跨現澆段力學簡圖

若邊跨現澆段 48-8#塊與鋼模板的摩擦力不能抵抗整個邊跨梁段的溫度變形產生的內力，可簡化為47#墩與梁體鉸接，此時力學簡圖如下圖1-3

圖1-3 現澆段摩擦力小于溫度內力時邊跨現澆段力學簡圖

1.3 溫度應力分析和計算

為簡化計算，將溫度變化產生的軸向力按線膨脹計算，并將變截面箱梁分段按其平均截面計算。

設梁升溫△t時產生的自由伸長量為△lt，由于兩端約束產生的縮短為△lN，則：

因αg＝αh，有

又

假設兩墩身無變位，則按變形協調原理，有：

△lt＝△lN(1-4)

由式(8-2)，式(8-3)和式(8-4)可得：

式中：N—梁因升溫所受的軸向力；

αh,αg—分別為混凝土和鋼的線膨脹系數；

Eg,,Eh—分別為鋼和混凝土的彈性模量；

根據當地氣象局提供的常年月氣溫，得到現場溫度統計表(見表1-1)。

項目 1月 2月3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月12月平均最低溫度（℃） -5 -2 4 11 17 21 23 22 17 11 4 -2平均最高溫度（℃） 4 7 13 22 27 32 32 31 27 21 13 6

表1-1 當地常年月氣溫統計表

在橋墩48 和49 主墩位置設置了臨時固結裝置，箱梁截面特性統計表，如表1-2所示。

節段號節段長度 平均截面積（m） （mm2） （10-11m/N）0（1/2） 4.5 15512667 1.450 1 3.5 14528571 1.205 2 3.5 13738000 1.274懸臂澆筑段3 3.5 12715714 1.376 4 4 11400250 1.754 5 4 10504250 1.904 6 4 10270750 1.947合攏段 7 2 10271000 0.974支架直線段 8 11.75 10912255 5.384

表1-2 （40+56+40）m連續箱梁截面特性

假設兩墩身無位移，則依變形協調原理和圖3所示的力學模型，依據公式(1-5)：

1.4 邊跨摩擦力計算

N=μG=3529kN

G—邊跨現澆段重量，為3330kN；

μ—鋼與混凝土摩擦系數，考慮邊跨現澆段最大靜摩擦力選取為1.06。

1.5 分析及驗算

此時邊跨摩擦力大于溫度應力，應按照圖1-2受力模式進行驗算，此時只需考慮溫度內力。而當橋梁邊跨較大，而溫度內力大于邊跨摩擦力時，按圖1-3進行驗算，只需考慮摩擦力。

驗算時需考慮鋼支撐的穩定性、焊縫的強度、鋼支撐是否能抵抗臨時束的張拉力、溫度內力導致鎖定鋼支撐的變形是否小于合攏段混凝土不開裂的容許應變。

1.2.1 鎖定鋼支撐穩定驗算

勁性鋼支撐設置：邊跨現澆段及 6號塊梁段頂部及其梁段內側各預埋 4塊500mm寬，1000mm長，20mm厚鋼板做板面的預埋件，勁性鋼支撐采用2Ⅰ25b工字鋼焊接而成。

Ⅰ25b工字鋼A=53.51cm2，ix=9.93cm，iy=2.36cm，

兩端剛結，計算長度系數取0.5，偏于安全取0.65，

λ--- 長細比；

---穩定系數；

滿足要求。

1.2.2 焊縫強度驗算

雙25工字鋼與鋼板焊接長度按8.4m計算，焊縫抗剪強度按160MPa，焊縫寬度按6mm控制，總焊縫強度為：

F= 160×6×8400=8064kN ＞2179.399kN,故焊縫能夠滿足強度要求。

1.2.3 抵抗臨時束張拉力驗算

邊跨合攏段張拉臨時束T9、B12左右各一束，張拉力大小為

1.2.4 抵抗合攏段變形驗算

ε= N/AEg＜εh；

Eg---為勁性骨架的彈性模量；

εh---混凝土為混凝土結構設計規范規定的混凝土極限壓應變。

2 中跨合龍鎖定

2.1 中跨合龍工序

此時主墩上臨時支座已經解除，中跨合龍形象見下圖2-1

圖2-1 中跨合龍示意圖

2.2 理論模型建立

位于49#墩頂的為固定支座尚已解除，可以認為49#墩與梁部為固結。

位于 48#墩頂的臨時支座尚已解除，位于 47、48#墩上的為懸臂簡支結構，梁段順橋向約束以支座的摩擦力為主，若支座的摩擦力足夠大時，能抵抗整個中跨梁段的溫度變形產生的內力，可簡化為48#墩與梁體固結，此時力學簡圖如下圖2-2

圖2-2 現澆段摩擦力大于溫度內力時邊跨現澆段力學簡圖

若簡支懸臂梁支座的摩擦力不能抵抗整個中跨溫度變形產生的內力，可簡化為48#墩與梁體鉸接，此時力學簡圖如下圖2-3

2.3 溫度應力分析和計算

為簡化計算，將溫度變化產生的軸向力按線膨脹計算，并將變截面箱梁

圖2-3 現澆段摩擦力小于溫度內力時邊跨現澆段力學簡圖

分段按其平均截面計算。則連續梁合攏段施工的溫度應力計算圖式按圖2計算。設梁升溫△t時產生的自由伸長量為△lt，由于兩端約束產生的縮短為△lN，則：

因αg＝αh，有

又

假設兩墩身無變位，則按變形協調原理，有：

△lt＝△lN(2-4)

由式(8-2)，式(8-3)和式(8-4)可得：

式中：N—梁因升溫所受的軸向力；

αh,αg—分別為混凝土和鋼的線膨脹系數；

l, lh,, lg—分別為合攏跨總長，懸臂灌注段長度及合攏口的鋼支撐長度；

依據公式(2-5)：

2.4 中跨摩擦力計算

N=μG=0.05*2166400*9.8=1061.5 kN

G—承重為全橋除去中跨合攏段梁體重量的1/2；

μ—由支座廠家提供的支座活動摩擦系數為 0.02，最大靜摩擦摩擦系數為0.05。

2.5 分析及驗算

此時梁段的摩擦力小于溫度應力，應按照圖 2-3受力模式進行驗算，此時只需考慮摩擦力。

驗算時同邊跨一樣，需考慮鋼支撐的穩定性、焊縫的強度、鋼支撐是否能抵抗臨時束的張拉力、溫度內力導致鎖定鋼支撐的變形是否小于合攏段混凝土不開裂的容許應變。具體驗算不再贅述。

3 結語及注意事項

合龍前，應連續實測當地氣溫的變化情況，并關注天氣預報。合龍焊縫很長，，最好在合龍前鎖定鋼支撐一側焊接完畢，留下另一端自由端，配備足夠資源，保證在最低溫度下及時焊接完畢。

前后有數座同類型橋梁也按照同樣方式進行合龍鎖定計算，橋梁已經順利合龍并順利投入運營數年，但是需要注意的是，合攏段的裂縫產生原因還有混凝土配合比、養護、預應力等很多影響因素仍需引起足夠重視。

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