懸澆過程中主梁標高變更對連續梁橋受力性能的影響分析

方 龔

（福州海峽建設發展有限責任公司，福州 350000）

1 前言

近年來， 預應力混凝土連續梁橋廣泛地運用在實際工程中，它具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養護簡單以及抗震性能優等特點[1]。 大跨徑連續梁橋施工通常采用懸臂澆筑， 該施工方法充分利用了預應力混凝土承受負彎矩能力強的特點， 提高了橋梁的跨越能力[2]。 和支架施工法橋梁一次成型不同，懸臂澆筑經歷多個施工階段， 后續的施工過程會影響之前已澆筑節段的標高， 懸臂澆筑施工方法的難點在于控制實際高程同設計高程一致。

倘若施工過程遇到某些特殊情況臨時變更接線工程的設計標高，則需要對橋梁的設計標高進行相應調整。當設計變更后的標高與原先設計相比相差較大時， 會導致施工過程中主梁的懸臂兩側不對稱。既有研究表明，懸臂兩側不對稱施工對于橋梁有著多方面的影響。

為此， 本文以一座懸澆施工過程中主梁設計標高發生變更的連續梁橋為對象， 采用有限元分析方法研究主梁設計標高變更對臨時支座、臨時錨固結構，以及施工與成橋階段主梁受力性能與安全性的影響， 可為今后類似橋梁的設計與施工提供參考。

2 工程概況

2.1 總體布置

本文工程背景為一座新建的連續梁橋， 大橋主橋位于福州市西郊，跨越閩江北港。 背景橋梁分雙幅布置，左右幅孔跨布置均為 （2×32.5）m+（72+132+72）m+（45+2×40）m。 其中，主橋為（72+132+72）m 的預應力混凝土空腹式連續梁。 下部結構采用板式墩，群樁基礎。 大橋總體布置如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置圖

2.2 臨時支座與臨時錨固結構

大橋3# 及4# 橋墩沿縱橋向每側各有1 個臨時支座，單個臨時支座的尺寸為100cm×1550cm，采用C50 混凝土，見圖2（a）。 懸澆施工過程中，每個臨時支座中配置12 根Φ32 精軋螺紋鋼用于臨時錨固橋墩與主梁結構。精軋螺紋鋼筋標準強度為785MPa， 每根張拉控制力為434kN，臨時錨固構造見下圖2（b）與（c）。

2.3 設計標高變更方案

圖2 臨時支座與臨時錨固構造圖

主橋采用懸臂施工， 懸臂澆筑部分的混凝土主梁共分15 個節段，邊跨設置支架現澆段。 主橋合龍順序為先進行邊跨合龍，后進行中跨合龍。 主梁右幅橋3# 墩完成0#～7# 節段施工，4# 墩完成0#～9# 節段施工時，由于特殊原因需要降低小里程側（2# 墩側）的接線高程0.153m，見圖3 與圖4。

由于背景橋梁僅對小里程側主梁設計標高進行調整，是否會對橋梁臨時支座、臨時錨固，以及施工與成橋階段主梁的受力性能與安全性產生影響，需要進行分析。

圖3 主梁設計標高變更時施工進度示意圖

圖4 設計標高調整示意圖

3 有限元模型

3.1 全橋模型建立

為對比分析懸澆施工過程中設計標高變化對橋梁結構受力性能的影響， 根據背景橋梁主橋的橋型布置與結構構造特點， 本文采用MIDAS/Civil 軟件建立有限元模型，對結構進行受力分析。

本文背景橋梁的有限元模型見圖5， 大橋各構件均采用梁單元模擬， 全橋共847 個節點，808 個梁單元，其中主梁單元100 個，主墩單元76 個。在有限元模型中，通過更改高程變更梁段對應的節點坐標來實現對主梁設計高程調整的模擬。 模型中充分考慮了施工及成橋階段下橋梁各部分結構剛度的模擬和各種荷載的作用過程。

有限元模型的主要材料有C55 混凝土、Strand1860預應力鋼絞線，其材料基本參數按照規范進行取值。有限元模型考慮的永久荷載主要包括混凝土梁自重、預應力、混凝土收縮及徐變二期恒載等； 考慮的可變荷載主要包括移動荷載、體系溫度荷載、梯度溫度等；考慮的施工階段荷載主要包括掛籃荷載、施工臨時荷載等。

圖5 有限元模型

3.2 臨時支座與錨固結構模型建立

本文將臨時支座的混凝土結構沿豎向劃分成11 個單元，這些單元通過橫向聯系連接整體，橫向聯系的剛度按照剛度等效的原理求得。 臨時支座的混凝土分別與橋墩和主梁結構剛性連接。 臨時錨固用的精軋螺紋鋼筋與對應位置的混凝土剛性連接， 并也與橋墩和主梁結構剛性連接。 模型見圖6。

圖6 有限元臨時錨固模型

臨時固結處于最不利受力狀態時， 應分別計算平衡荷載與不平衡荷載工況下臨時固結的受力狀況。因此，不平衡荷載工況下， 臨時固結除了考慮上文3.1 節中所提到的荷載外，還考慮了混凝土不對稱澆筑、一側掛籃移動時動力效應、一側混凝土超打等荷載作用。

4 主梁設計標高變更影響分析

4.1 對臨時支座與錨固結構的影響

本文根據 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004） 的規定， 對主梁設計標高變更前、后的臨時支座混凝土進行了強度驗算，其中，最大懸臂施工階段3 號墩處靠2 號墩處的臨時支座混凝土應力驗算結果見圖7。 從圖7 中可以看出：主梁設計標高變更對臨時支座混凝土應力影響較小，變更前、后臨時支座混凝土應力分別為-2.08MPa 和-2.16MPa，均小于0.7fck′=-24.85MPa，滿足要求。

圖7 主梁設計標高變更對臨時支座應力的影響

本文根據 《預應力用混凝土精軋螺紋鋼筋》（GB/T 20065-2006）的規定，對主梁設計標高變更前、后臨時錨固的精軋螺紋鋼筋進行強度驗算。其中，最大懸臂施工階段3 號墩處靠4 號墩處臨時錨固的精扎螺紋鋼應力驗算結果見圖8。 從圖8 中可以看出：主梁設計標高變更對臨時支座混凝土應力影響較小， 變更后精軋螺紋鋼筋最大法向正應力為-128MPa，小于-785MPa，滿足要求。

圖8 主梁設計標高變更對臨時錨固結構應力的影響

4.2 對施工階段主梁受力性能的影響

4.2.1 施工預拱度

橋梁懸臂施工中， 要確保橋梁結構能達到設計要求的線形，需要合理確定每一待澆節段的預拱度，其中，施工預拱度是懸澆橋梁總預拱度的重要組成部分。因此，本文采用有限元方法分析主梁設計標高變化前后對的施工預拱度的影響。

圖9 為主梁設計標高調整前后的施工預拱度計算結果。 從圖9 中可以看出：主梁設計高程調整前、后施工預拱度差值最大為0.31mm，表明主梁設計高程調整對施工預拱度的影響較小。結合現場的實際情況，同時考慮到預施工主梁節段與已施工主梁節段施工預拱度的連續性，故洪山橋2 號墩～3 號墩之間8#～17# 節段的施工預拱度仍可按調整前的施工預拱度進行取值。因此，背景橋梁設計標高的變化對于橋梁線形的平順度調整影響很小，可保證橋梁行車舒適性。

圖9 主梁標高調整對施工預拱度的影響

4.2.2 主梁受力性能

本文分析了各施工階段下主梁設計標高變更對主梁內力與應力的影響， 現僅以最大懸臂施工階段和主跨合龍階段為例， 介紹主梁設計標高變更對主梁彎矩與應力的影響，見圖10 與圖11。 從圖10 與圖11 中可以看出：最大懸臂施工階段下，主梁設計標高變更前后，主梁最大彎矩分別為88927kN·m 和89022kN·m，主梁最大應力分別是-9.82MPa 和-9.87MPa；中跨合龍階段下，主梁設計標高變更前后， 主梁最大彎矩分別為42325kN·m 和42981kN·m，主梁最大應力分別是-9.50MPa 和-9.65MPa。因此， 主梁設計標高變化前后主梁應力最大變化量為-0.15MPa，懸澆過程中主梁設計標高的變化不會對背景橋梁結構的安全性產生影響。

4.2.3 主梁穩定性

懸澆施工過程中， 主梁設計標高的變化可能對主梁的穩定性產生影響， 且對最大懸臂施工階段主梁的穩定性影響最大。 為此，本文分析了最大懸臂施工階段下，設計標高變化前后主梁的穩定性。 設計標高變化前后主梁的失穩形態一致，均為圖12 所示，彈性穩定系數分別為2465 和2374，均滿足大于4 的要求。

圖10 主梁標高調整對最大懸臂階段主梁受力的影響

圖11 主梁標高調整對中跨合龍階段主梁受力的影響

圖12 最大懸臂階段主梁整體彈性失穩形態

4.3 對成橋階段主梁受力性能的影響

主梁設計標高變更對成橋階段主梁彎矩與應力的影響見圖13。 從圖13 中可以看出： 主梁設計標高變更前后， 成橋階段主梁最大彎矩分別為63599kN·m 和65901kN·m，主梁最大應力分別是-9.76MPa 和-9.83MPa，主梁設計標高變化前后主梁應力最大變化量為-0.07MPa，因此主梁設計標高的變化不會對背景橋梁成橋階段的安全性產生影響。

圖13 主梁標高調整對成橋階段主梁受力的影響

5 結論

本文采用有限元分析方法， 研究了懸澆施工過程中主梁設計標高調整對臨時錨固結構、臨時支座，以及施工階段與成橋階段主梁受力性能的影響， 主要得到以下結論，可為今后類似橋梁的設計與施工提供參考：

（1） 懸澆過程中主梁設計標高變更對臨時支座與臨時錨固結構應力的影響較小， 變更后臨時支座混凝土與臨時錨固鋼筋的應力分別為-2.16MPa 和-128MPa， 滿足要求。

（2） 主梁設計標高變更對施工階段主梁受力性能的影響分析表明：設計標高變更前后，主梁施工預拱度的最大差值為0.31mm， 主梁應力最大變化量為-0.15MPa，主梁穩定系數分別為2465 和2374； 設計標高變化對背景橋梁施工階段主梁受力性能的影響較小。

（3） 主梁設計標高變更對成橋階段主梁受力性能的影響分析表明： 設計標高變更前后， 主梁彎矩由63599kN·m 增大至65901kN·m，主梁應力由-9.76MPa 增大至-9.83MPa； 設計標高變化對背景橋梁成橋階段主梁受力性能的影響較小。