預應力混凝土連續橋梁施工方案比選研究

■李劉峰 劉麗麗

(新疆興亞工程建設有限公司，烏魯木齊 831100)

0 引言

隨著橋梁工程的大規模發展， 連續梁橋作為一種常見的橋型，因具有工程造價低、適用范圍廣以及施工簡便等特點，逐漸在橋梁建設中廣泛應用[1]。近年來，我國連續梁橋的施工方案一般采用懸臂澆筑法，該方案施工風險、施工難度以及工程造價相對較小，但施工工期相對較長，以及對控制成橋后橋梁變形和受力存在一定缺陷， 因此深入研究連續橋梁的施工方案具有重要意義[2-3]。

目前， 國內外關于橋梁的施工方法展開了大量研究[4]，如胡大琳等[5]關于大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑施工控制展開研究， 成功解決了國內懸臂澆筑施工的最大跨徑鋼筋混凝土拱橋的施工方案設計與施工控制問題，并可供大跨徑拱橋結構設計與施工控制參考，以期推動大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑技術的發展。任亮等[6]關于波形鋼腹板PC 組合小箱梁頂推施工結構性能及參數進行分析，采用有限元法模擬頂推施工過程，分析主梁彎矩和應力以及導梁前端撓度，研究導梁剛度、自重以及臨時墩位置等參數對主梁受力性能的影響， 研究發現該頂推方案主梁受力性能滿足要求。李輝等[7]關于永臨結合的墩頂轉體法在鐵路連續梁橋施工中的應用展開研究，發現永臨結合的墩頂轉體法施工鐵路連續梁， 豐富了我國轉體橋梁的設計和建造技術， 取得了較好的經濟效益和社會效應， 應用前景廣闊。 上述主要是針對懸臂澆筑法、頂推法以及轉體法等單一施工方案的應用展開研究，而關于相同類型橋梁的施工方案對比研究相對較少[8]。基于此， 本文針對不同施工方案對預應力混凝土連續梁橋的變形、受力以及施工效率的影響展開對比研究，并確定了最優施工方案。

1 工程概況

1.1 橋梁結構

以某三跨預應力連續梁橋研究背景， 橋梁全長160m，跨徑布置為45m+70m+45m，橋面寬26.5m,車道設計為雙向四車道，最高行駛車速為80km/h,行車荷載為公路Ⅰ級。箱梁采用單箱六室結構變截面形式，箱梁頂板寬27.1m，底板寬22.1m，根部梁高度為3.8m,各跨跨中梁高為2m，主梁梁高按二次拋物線變化。 中跨跨中箱梁底板厚24cm，根部箱梁底板厚為55cm，底板厚度按1.8 次拋物線變化，箱梁腹板厚底為60cm。上部結構主梁、箱梁均采用C50 混凝土， 下部結構橋墩、 群基礎等均采用C35混凝土，全橋均采用預應力混凝土結構設計，預應力鋼筋采用1860 級鋼絞線和HRB335 普通鋼筋。全橋結構布置如圖1 所示。

圖1 橋梁結構布置圖

1.2 施工方案

由于該橋梁需橫跨某高速公路， 綜合對現場地形的勘測情況，線路設計要求以及施工難度的考慮，預應力連續梁橋施工可選擇轉體法和懸臂澆筑法兩種方案進行，兩種施工方案具體施工步驟如下。

(1)轉體法施工方案：①建設橋梁基礎以及下部結構；②分別在高速公路兩側搭設平行支架和護欄板；③在兩側支架上分別現澆34m+34m 的T 構， 待T 構強度滿足設計要求后進行轉體；④在T 構梁端分別設置1m 左右的防護吊籃；⑤轉體完成后封閉防護吊籃，在吊籃內綁扎普通鋼筋并以混凝土澆筑；⑥采用現澆對合龍段進行合龍施工。

(2)懸臂澆筑法施工方案：①建設橋梁基礎以及下部結構；②對0 號塊混凝土進行施工；③安裝掛籃，并采用掛籃對稱澆筑32m+32m 的T 構；④依次懸臂澆筑各節段混凝土，按照先邊跨后中跨的順序進行合龍施工。

2 有限元模型

通過運用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立預應力混凝土連續梁橋數值模型，對兩種施工方案進行模擬分析，全橋共包含145 個單元，192 個節點，其有限元計算模型如圖2 所示。

圖2 橋梁有限元計算模型

計算模型中主梁、 橋墩以及基礎均采用梁單元進行模擬，主墩與箱梁連接采用主從約束，邊墩與梁底的連接采用彈性連接，邊跨支座采用一般支座模擬，提供豎向剛度約束， 采用梁截面和橋墩進行彈性連接來模擬中跨支座，提供豎向和橫橋向約束。 計算荷載主要考慮恒載(結構自重+二期鋪裝等=678.2kN)、活載(按照雙向四車道滿載施加)、支座不均勻沉降(按1cm 計算)、溫度荷載(整體升降溫±30℃)以及收縮徐變的影響。 橋梁在模型中分別采用轉體法和懸臂澆筑法來模擬實際施工過程， 模型中兩種方案的材料參數、 荷載效應以及約束條件均保持一致，僅針對施工方法展開分析。模型中使用到的材料參數如表1 所示。

表1 主要材料強度指標

3 結果對比分析

為選取最優施工方案， 通過建模對采用不同施工方案成橋后的變形、 受力以及施工階段的影響展開對比分析，最終得到該預應力混凝土連續梁橋的最優施工方案，具體分析過程如下。

3.1 成橋后變形分析

為研究轉體法施工和懸臂澆筑施工對橋梁變形的影響， 分別針對采用兩種施工方案的橋梁主梁水平位移及豎向位移變化規律展開對比分析， 以選取造成橋梁變形最小的施工方案， 主梁水平位移及豎向位移變化曲線分別如圖3、圖4 所示。

圖3 主梁水平位移變化曲線

根據圖3 可知， 采用轉體法和懸臂澆筑法施工的橋梁主梁水平位移變化趨勢大致相似， 其中靠近中跨跨中位置兩種施工方案水平位移基本一致。 橋梁左半部分主梁水平位移均為正向， 轉體法施工方案的主梁最大水平位移為8.79mm，最小水平位移為3.11mm,懸臂澆筑施工方案的主梁最大水平位移為14.1mm, 最小水平位移為6.72mm, 懸臂澆筑施工方案的最大正向水平位移和最小水平位移比轉體法施工方案分別大了約5.3mm 和3.6mm。 橋梁右半部分主梁水平位移均為負向，轉體法施工方案的主梁最大水平位移為-4.1mm， 最小水平位移為-1.1mm, 懸臂澆筑施工方案的主梁最大水平位移為-11.8mm,最小水平位移為-6.5mm,懸臂澆筑施工方案的最大正向水平位移和最小水平位移比轉體法施工方案分別大了約7.7mm 和5.4mm， 綜合來看采用轉體法施工方案對橋梁變形的影響要小于懸臂澆筑施工方案。

圖4 主梁豎向位移變化曲線

根據圖4 可知， 兩種施工方案的橋梁主梁豎向位移變化趨勢大致相似，沿主梁中心線呈對稱分布，懸臂澆筑施工方案的主梁豎向位移要稍大于轉體法施工方案。 橋梁靠近0# 墩～3# 墩位置主梁出現不同程度上撓，懸臂澆筑施工方案主梁最大上撓值為10.6mm， 最小上撓值為1.33，轉體法施工方案主梁最大上撓值為5.14，最小上撓值為0.8mm， 相對懸臂澆筑施工方案主梁上撓最大值和最小值分別小了5.46mm 和0.53mm。 兩種施工方案橋梁主梁下撓最大位置均出現在中跨跨中附近， 其中轉體法施工方案的主梁最大下撓值為-87.3mm， 懸臂澆筑施工方案的主梁最大下撓值為-108.8mm，相對轉體法施工方案主梁最大下撓值增加了約24.6%左右， 綜合以上數據來看轉體法施工方案對控制橋梁的豎向變形要優于懸臂澆筑施工方案。

3.2 成橋后受力分析

為研究轉體法施工和懸臂澆筑施工對橋梁受力的影響， 分別針對采用兩種施工方案的橋梁主梁應力及彎矩變化規律展開對比分析， 以選取可以有效控制橋梁受力的施工方案，主梁應力及彎矩變化曲線分別如圖5、圖6所示。

根據圖5 可知， 兩種施工方案主梁上緣應力變化趨勢基本一致，除中跨跨中位置受到拉應力作用外，主梁其他位置均受到壓應力作用， 其中轉體法施工方案的主梁上緣最大應力值為-10.1MPa， 懸臂澆筑施工方案的主梁上緣最大應力為-11.2MPa， 相對轉體法施工方案主梁上緣最大應力僅增加了-1.1MPa， 最大應力值相差不大，表明兩種施工方案對主梁上緣應力的影響均不大。 兩種施工方案主梁下緣緣應力變化趨勢大致相似， 主梁整體均受到壓應力作用， 且應力變化趨勢要比主梁上緣應力復雜， 其中轉體法施工方案的主梁下緣最大應力值為-6.46MPa， 懸臂澆筑施工方案的主梁下緣最大應力為-6.95MPa， 相對轉體法施工方案主梁上緣最大應力僅增加了-0.5MPa，最大應力值相差很小，表明兩種施工方案對主梁下緣應力的影響同樣不大， 因此基于主梁應力兩種施工方案均可滿足橋梁設計規范要求。

圖5 主梁應力變化曲線

圖6 主梁彎矩變化曲線

根據圖6 可知， 不同施工方案的主梁關鍵截面彎矩變化趨勢大致相似， 懸臂澆筑施工方案的主梁局部關鍵截面彎矩值要遠大于轉體法施工方案， 說明兩種施工方案對主梁受力影響均較大。 兩種施工方案中主梁0# 墩、3L/4 以及3# 墩截面彎矩值基本一致，懸臂澆筑施工方案中主梁L/4、1# 墩、L/2 以及2# 墩截面的彎矩值相對于轉體法施工方案分別增大了55594kN·m、89985kN·m、63679kN·m 和40140kN·m，主梁彎矩增幅較大，說明采用懸臂澆筑施工方案會導致主梁受力更大。 轉體法施工方案主梁彎矩整體呈對稱分布， 而懸臂澆筑施工方案主梁右側彎矩明顯大于左側彎矩， 說明采用該方案施工會導致橋梁整體受力不均，因此對于橋梁整體受力而言，轉體法施工方案更有利于維護橋梁整體結構穩定性。

3.3 施工效益分析

為研究兩種施工方案在施工階段產生的影響， 分別針對轉體法施工和懸臂澆筑施工的工藝要求、施工成本、工期以及安全問題等展開對比分析， 具體對比結果如表2 所示。

根據表2 可知， 轉體法施工方案對施工工藝的要求要遠高于懸臂澆筑施工方案， 懸臂澆筑施工方案對高速公路正常運營時間的影響比轉體法施工方案多了約107d， 施工工期轉體法施工方案要比懸臂澆筑施工方案少60d， 工程造價轉體法施工方案要比懸臂澆筑施工方案多了約312.3 萬元， 綜合來看兩種施工方案均各具優點，但綜合對橋梁變形及受力的影響，轉體法施工方案要優于懸臂澆筑法施工方案。

表2 施工階段影響因素對比結果

4 結論

本文簡單介紹了適用于某三跨連續梁橋施工的兩種施工方案，通過運用有限元軟件模擬施工步驟，針對采用兩種施工方案成橋后的橋梁變形、 受力以及施工效率展開對比分析， 以確定最優施工方案， 并得到以下主要結論： 轉體法施工方案成橋后橋梁水平變形和豎向變形均要小于懸臂澆筑法施工； 轉體法施工和懸臂澆筑施工主梁主要為壓應力作用， 兩種施工方案應力變化趨勢大致相似； 轉體法施工方案成橋后橋梁受力要比懸臂澆筑法施工更為合理；轉體法施工難度和工程造價相對較大，但是施工效率要比懸臂澆筑施工高；因此綜合對橋梁變形、受力及施工效率的考慮， 建議該預應力混凝土連續橋梁選擇轉體法施工方案。