連續剛構橋梁冬季長懸臂停工的結構影響分析

摘要： 隨著高速公路建設的蓬勃發展，跨越溝壑峽谷的高墩大跨徑連續剛構橋梁已較為常見，但由于我國北方地區冬季較為漫長，低溫環境并不適合剛構橋梁懸臂澆筑混凝土和張拉壓漿施工，而大跨徑剛構橋梁受懸臂施工工期限制，無法在一年內順利完成合龍施工，必然造成冬季長懸臂停工現象。本文以我國北方地區某連續剛構橋梁工程施工為依托，就冬季長懸臂停工對結構的影響進行分析，通過采用三維有限元軟件Midas/Civil程序進行計算，研究結構變化、承載能力及穩定性，確定長懸臂過冬的可行性，并考慮停工周期的時間效應影響，提出相應措施以供同類工程參考。

關鍵詞：連續剛構橋? 冬季長懸臂? 結構影響

中圖分類號： U448.23? ? ? 文獻標志碼：A

1.工程概況

某特大橋工程位于隴東黃土高原亞區，橋位區溝谷呈寬“U”型，兩岸溝坡陡峻，橋梁全長1138.08m。該橋上部結構為5×40m裝配式預應力混凝土箱型連續梁+（95+3×180+95）m預應力混凝土變截面連續剛構+5×40m裝配式預應力混凝土箱型連續梁，下部為柱式墩、空心墩、柱式臺、樁基礎，單幅橋面寬12.5米，橋面平均高度約70m，最大橋高179m，最大墩高163m。

其中第二聯主橋上部結構為五跨預應力混凝土變截面的連續剛構體系。箱梁截面采用單箱單室，預應力體系為縱、橫、豎三向預應力[1-2]。箱梁頂板寬12.5m，根部梁高11m，跨中梁高4m，梁高按1.8次拋物線變化。箱梁翼緣板懸臂長為3m，底板寬6.5m，頂板設置橫坡，底板橫橋向為水平面。

2.氣象特點

橋址區屬暖溫帶大陸性高原氣候，日照充足，光能資源豐富，雨水較少，四季分明，春秋季節冷空氣活動頻繁，風的季節性變化較為明顯。冬季寒冷漫長，降水稀少，年平均氣溫7.5～8.7℃左右，七月份平均氣溫20.8℃～22.2℃，一月份平均氣溫-8℃～-5.5℃，全年極端最低溫度-27.1℃，極端最高溫度37.5℃。東南風多為主要風向，西北風次之，平均風速1.9m/s～2.3m/s，最大瞬時風速為21m/s。歷年最大積雪深度為21cm。

3.施工總體方案及冬季停工安排

該特大橋主橋連續箱梁采用掛籃懸臂澆筑法施工[3]，0、1號塊及邊跨現澆段在墩旁托架上澆筑，其余梁段采用掛籃懸臂對稱、平衡澆筑直至各單“T”最大懸臂后，然后依次進行邊跨、次邊跨和中跨合龍。具體梁段及施工方案劃分為：0#梁塊長8m，采用墩頂現澆施工;1#梁塊長2m，采用墩旁托架現澆施工; 2～22#梁段（21對梁段）縱向分段長度為3×3m+4×3.5m+6×4m+8×4.5m，采用掛籃懸澆施工;邊、次邊、中跨合龍段23#梁段長2m，采用合龍吊架現澆施工，邊跨現澆段24#梁段長3.76m，采用墩旁托架現澆施工。懸臂現澆梁段的最大重量為241.2t，設計掛籃自重按110t考慮。該橋左右幅8個“T”同時對稱懸臂澆筑，根據施工進度計劃安排，該特大橋暫定于當年11月9日進入冬季施工前完成至14#塊段后懸停過冬，預計次年3月15日復工，停工工期約4個月。

4.主橋靜力計算

4.1計算模型及荷載

4.1.1 結構離散

主橋采用三維有限元軟件Midas/Civil程序進行計算[4]，主墩與主梁0號塊位置采用剛性連接，主墩墩底采用固結約束，過渡墩位置均為豎向支撐。靜力計算的有限元模型如圖2所示。

4.1.2 主要材料

主橋箱梁梁體采用C55混凝土，主墩墩身采用C50混凝土，其材料性能指標如表1所示。

4.1.3 計算荷載參數

（1）恒載計算中的一期恒載混凝土容重取26kN/m3;二期恒載的橋面鋪裝+護欄人行道，主線橋取72.6kN/m。

（2）預應力體系的錨具變形與鋼束回縮值（一端）取值△L=6mm;錨下控制張拉力取值0.75fpk=1395Mpa;管道摩阻系數取值μ=0.17;管道偏差系數取值κ=0.00151/m。

（3）汽車荷載等級為公路Ⅰ級;車道荷載橫向分布調整系數為按3車道計算，車道荷載橫向分布調整系數=3×1.15×0.78×0.97=2.61;汽車荷載的沖擊系數取值0.05。

（4）溫度變化按四種情況考慮，主梁截面溫差根據《公路橋涵設計通用規范》第4.3.10條取10cm厚瀝青鋪裝，計算T1=14℃，T2=5.5℃，負溫差為T1=-7℃，T2=-2.75℃。主橋靜力計算過程中溫度荷載參數分別為：體系升溫25℃;體系降溫25℃;豎向日照正溫差T1=14℃，T2=5.5℃，A=300mm;豎向日照反溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300mm。

（5）地基及基礎不均勻沉降中主墩取值30mm;過渡墩取值15mm。

（6）單個掛籃重量（含機具、模板）按照實際荷載取用。

（7）風荷載：與汽車組合的風荷載平均風速取值25m/s;百年風為100年10min平均最大風速25.7m/s[5]。

4.1.4 荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》的具體規定，成橋階段分析主要考慮三個結構工作狀態，分別為承載能力極限狀態、正常使用短期效應狀態和結構彈性狀態，每個工作狀態的荷載效應系數不同。成橋狀態下應考慮結構上可能同時出現的作用（結構重力、混凝土收縮徐變作用、預應力、汽車荷載、基礎變位作用、溫度作用等），分別按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行了作用效應組合，取最不利效應組合對結構的應力、強度和剛度進行了驗算[6]。本次計算中考慮了以下四種組合：承載能力組合Ⅰ為基本組合;荷載組合Ⅱ為作用長期效應組合;荷載組合Ⅲ為作用短期效應組合;荷載組合Ⅳ為標準組合。

4.2主橋上部結構計算

4.2.1持久狀況承載能力極限狀態

（1）正截面抗彎驗算

按照《橋規》中第5.1.5-1條 驗算，得出結構的重要性系數×作用效應的組合設計最大值≤構件承載力設計值，滿足規范要求。

（2）斜截面抗剪驗算

按照《橋規》中第5.1.5-1條驗算，得出結構的重要性系數×作用效應的組合設計最大值≤構件承載力設計值，滿足規范要求。

4.2.2 持久狀況正常使用極限狀態計算

（1）正截面抗裂驗算

全預應力混凝土構件，在作用（荷載）短期效應組合下，應符合下列條件：預制構件σst-0.85σpc≤0;分段澆筑或砂漿接縫的縱向分塊構件σst-0.80σpc≤0。

按照《橋規》中第6.3.1-2條公式σst-0.80σpc≤0驗算：該特大橋主橋頂緣最大應力為-0.081 MPa（壓應力），底緣最大應力為-0.029 MPa（壓應力），均未出現拉應力，滿足規范要求;

（2）正截面壓應力驗算

按《橋規》中第7.1.5-1條公式，汽車荷載考慮沖擊系數，荷載取其標準值。受壓區混凝土最大壓應力為：未開裂構件σkc+σpc≤0.5fck;允許開裂構件σcc≤0.5fck。

按照《橋規》第7.1.5-1條公式驗算：該特大橋主橋頂緣最大壓應力為17.379 MPa，底緣最大壓應力為10.341 MPa，均小于C55混凝土容許值0.5fck=17.750 MPa，滿足規范要求;

4.2.3 位移計算

汽車荷載作用下的豎向位移計算結果如圖8所示，位移單位為mm。

在汽車荷載作用下的計算結果表明：該特大橋主橋中跨跨中最大豎向位移為48.92 mm

4.2.4 停工期懸臂段下撓值計算

各橋懸臂段停工4個月的累計撓度如圖9所示。由計算圖可知經過冬季停工期，在恒載、預應力和混凝土收縮徐變累計作用下：該特大橋主橋14號梁段懸臂端最大豎向位移為3.65mm（豎直向上），0號塊最大豎向位移為-5.26mm（豎直向下）;

4.3 主橋下部結構計算

主要計算停工雙懸臂階段主墩墩身及系梁強度驗算。

4.3.1 計算荷載

（1）施工階段設計風速：該橋址處的基本風速，地表類別按照D類考慮，地表粗糙度系數為，根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG D60-01-2004），設計基準風速按照下式求得：

考慮施工階段10年重現期，則10年重現期下施工階段設計風速為：

主梁的基準高度參照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG D60-01-2004）第3.2.3條規定取值。考慮到部分橋墩采用變截面形式，橋墩風荷載采用分段施加節點荷載的方式考慮，分段長度為1m一段，Z表示每一個分段中心距離地面的距離。

（2）施工階段主梁風荷載：參考《公路橋梁抗風設計規范》JTG /T D60-01-2004第3.2.3條規定，在橫橋向風荷載作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風荷載可按下式計算：

由于最大雙懸臂階段，主梁護欄等未施工，因此采用主梁實際梁高，取值為4～11m。阻力系數按照規范中第4.3.1條規定取值。

主梁的順橋向風荷載按照橫橋向風荷載的0.25倍取值;兩幅橋之間相互遮擋時，遮擋系數按照0.5倍取值。

（3）施工階段主墩風荷載：參考《公路橋梁抗風設計規范》JTG D60-01-2004第4.4.1條規定，橋墩上的順橋向及橫橋向靜風荷載可以按照下式計算：

阻力系數按照規范第4.4.2條規定取值，結構高寬比選用40。由于橋墩風荷載采用分段施加節點荷載的方式考慮，分段長度為1m一段，則表示每一個分段的迎風面積。兩幅橋之間相互遮擋時，遮擋系數按照0.5倍考慮。

考慮單側掛籃脫落的動力放大系數為2，該荷載僅用來校驗結構安全性，停工階段應采取一定的措施以保證掛籃不會發生脫落。

4.3.2 荷載組合

停工雙懸臂階段主墩及系梁驗算組合分為：恒載+橫橋向百年風;恒載+順橋向百年風;恒載+順橋向百年風+單側掛籃脫落[7]。

4.3.3 主墩計算

（1）主墩強度驗算

根據計算結果，停工階段該特大橋主橋各橋墩墩身順橋向和橫橋向的抗壓承載力均滿足要求，系梁抗彎承載力滿足要求。

（2）結構穩定驗算

停工階段結構的穩定計算結果見表5，各主墩屈曲的模態見圖12。

根據計算結果，停工階段該特大橋主橋各橋墩一階屈曲模態特征值均大于4，穩定性滿足要求。

5.驗算結論及建議

5.1結構驗算結論

經計算，按照既定工期安排，考慮停工周期的時間效應影響，該特大橋主橋主梁內力分布影響較小，可滿足受力要求，但對結構成橋線型有一定影響。停工期間雙懸臂階段主墩的承載能力及穩定性滿足規范要求。

5.2建議

1.針對停工期間的結構計算時未計入施工期間橋面臨時荷載的影響。停工期間，建議盡量減少或撤除橋面臨時荷載（施工機具及材料堆放），采取措施確保掛籃鎖定可靠，同時應對外露錨具、錨頭進行必要的防護處理。

2.停工期間應做好防積雪措施，檢查排水管道以確保通暢，及時清理橋面積雪，安排相關人員定期測量結構線型及偏位情況。

3.由于停工時間較長，時間荷載效應下主梁線型會有一定影響，墩頂位置均會出現一定程度的下撓，建議監控量測過程中，提前預拋相應節段標高以補償下撓損失。

參考文獻

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作者簡介：韋正茂（1985-），男，漢族，甘肅靖遠人，大學本科，工程師，主要從事公路工程施工管理工作。