連續剛構橋不等長懸臂施工控制措施數值分析

陳猛

摘 要：連續剛構橋具有諸多優點，能夠有效滿足特大跨徑橋梁的受力要求。針對某連續剛構橋懸臂不等長施工方案，本文研究長跨繼續施工和短跨壓重荷載之間的控制措施，解決不等跨梁橋懸臂澆筑施工過程中可能存在的偏載問題，分析不同加載方式產生的內力和變形，然后依據分析結果，提出合理的建議。

關鍵詞：連續剛構;懸臂不等長;配重;加載

中圖分類號：U448.23文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0104-03

Abstract： Continuous rigid frame bridges have many advantages and can effectively meet the force requirements of super long span bridges. Aiming at the unequal-length cantilever construction scheme of a continuous rigid frame bridge， this paper studied the control measures between the continuous construction of long-spans and short-spans under heavy load， solved the possible eccentric load problems during the cantilever pouring of unequal-span girder bridges， and analyzed the internal forces and deformations caused by different loading methods， then put forward reasonable suggestions based on the analysis results.

Keywords： continuous rigid frame;cantilever unequal length;counterweight;loading

連續剛構橋梁墩固結、梁體連續、無伸縮縫、行車平順，同時可以產生較大的橫向抗扭剛度和順橋向抗彎剛度，優點突出，能滿足特大跨徑橋梁的受力要求[1-2]，因此，連續梁橋發展迅猛。隨著橋梁事業的發展，近年來，懸臂施工法在國內外大跨徑預應力混凝土橋梁中得到廣泛運用 。

國內對于高墩大跨度變截面曲線箱梁橋等懸臂施工控制方面的研究較為成熟，但對于不等長連續剛構橋懸臂施工控制所需要采取的措施，相關研究較少。本文針對65 m+110 m+65 m連續剛構橋懸臂不等長施工方案，在兩側等跨懸臂施工完成后，研究長跨繼續施工和短跨壓重荷載之間的控制措施。

1 工程概況

某大跨連續剛構橋跨越兩山間峽谷，谷底有一河流，橋位處河流寬為7.5 m，上部結構為（65+110+65）m+3×30 m預應力砼裝配T梁+連續剛構，橋長為336.24 m。箱梁為三向預應力混凝土結構，全幅橋采用分離式單箱單室截面。箱頂板寬度為12 m，底板寬為6 m，箱懸臂長為3 m，頂板最小厚度為18 cm，底板跨中厚為32 cm、根部厚為80 cm，腹板厚為50～80 cm。箱梁中線處跨中及邊跨現澆梁段高為2.5 m，墩頂0號梁段高為6.5 m，箱梁高度和底板厚度從合攏段中心到懸臂根部按1.8次拋物線變化。

聯結墩墩身高為57 m，設計為高樁承臺，邊跨現澆段底板與原地面高差超過60 m，邊跨現澆段長為9 m，懸挑出墩頂長度達到7.2 m。設計合攏順序為先邊跨后中跨，即邊跨現澆段需要獨立澆筑，現澆段的全部荷載必須全部由過渡墩上或者承臺及地面承擔。搭設墩旁托架安全風險極大，聯結墩渡墩偏心受力不利，施工控制難度極大。搭設落地支架，承擔現澆段全部荷載，支架搭設高度超過60 m，國內罕見，安全風險評估難以通過，由于山體陡峭，地基必須進行特殊處理。施工成本極高，施工周期極長，安全風險極大。

鑒于以上原因，本研究提出不等長連續剛構橋懸臂施工的方案。最大懸臂長分別為55 m和65 m，最大懸臂施工狀態的平面圖如圖1所示。

因懸臂不等長，人們需要考慮配重的位置和大小。在實際施工操作中，配重應盡量靠懸臂前端施加，因為人們要綜合考慮加載卸載的方便程度以及必要的作業空間等因素。在橫橋向，配重應在橫橋向均衡對稱施加，這是為了保持梁體橫向平衡，保證橋梁不發生側向傾斜和扭轉。配重的大小則與配重施加的位置等因素有關。根據懸臂端下撓變形值相同，配重大小通過計算求得。基本配重大小按等效代換合攏段重量引起的懸臂端下撓效應計算得到。至于附加配重，除需要考慮施加位置外，還需要考慮實際應起的作用和梁體安全。

本文的關鍵問題在于不等跨梁橋懸臂施工應該采取怎樣的措施來解決不等跨梁橋懸臂澆筑施工過程中可能存在的偏載問題。墩的兩側梁段數不同，由圖1可以看出，2號墩右側比左側多出兩個梁塊，這種偏載就會產生不平衡的受力。為了消除這種不平衡的受力，短跨側需要添加壓重荷載。

2 有限元建模

本文采用Midas/Civil有限元軟件建立了某高架橋主跨的有限元模型，進行曲線和縱坡的建模。荷載有自重荷載及施工荷載。由于模型未建橋墩，所以將支座簡化成固定約束，然后將添加支承的兩個節點與上方箱梁構建一個剛性連接，本模型針對的是合攏前的施工階段，橋梁兩端不用添加約束。

3 加載方式比選

3.1 水箱加載

在Midas/Civil有限元軟件中，將平面荷載添加到圖2中41、42、43、44結點圍成的矩形中。其中，平面荷載選用均布面荷載，4點圍成4 m×5 m的底面積，此平面荷載等效為水箱加載。在荷載工況中添加1號加載形式和2號加載形式，其中，1號加載方式是底面積為2 m×12 m的水箱，2號加載方式是底面積為4 m×5 m的水箱。

3.2 沙袋加載

在圖2中38單元、39單元添加單元荷載，使兩個單元受壓等效為沙袋加載。在荷載工況中添加3號加載形式和4號加載形式，其中，3號加載方式是底面積為12 m×6 m的梁單元加載，4號加載方式是底面積為12 m×3 m的梁單元加載。

上述水箱加載和沙袋加載兩種平面加載方式均是預加荷載，下面將通過對比選用更優化的水箱加載形式和沙袋加載形式。

4 結果與分析

4.1 水箱加載

如表1所示，采用兩種水箱加載方式進行受力及位移對比分析。利用Midas/Civil有限元軟件，先添加210 t的平面荷載，壓載后重新運行分析，再以1 t逐級添加，直到加至220 t，兩個懸臂的內力達到平衡狀態。兩種加載形式所產生的梁單元最大彎矩、最大剪力、最大扭矩、最大縱向變形如表2所示。

由表2可知，在短跨側進行水箱壓載，1號加載方式在最大彎矩、最大剪力、最大扭矩以及梁體豎向位移方面均高于2號加載方式，選用2號加載方式更優。

在施工中，采用水箱加載的壓重方式，需要根據上述平面荷載加載位置，在短跨端部砌筑一個5 m×4 m×12 m的水箱，水箱最大加載量為240 t，最終長跨澆筑施工完成的同時，水箱加載到220 t。

4.2 沙袋加載

根據上述沙袋加載方式，利用Midas/Civil有限元軟件直接在38單元、39單元上添加單元荷載，考慮更大的接觸面積，先添加205 t的壓載，得到的彎矩仍舊不平衡，再以1 t逐級遞增和遞減，最終得到：直到加至203 t，兩個懸臂的內力達到平衡狀態。這種加載方式采用的是底面積為12 m×6 m的梁單元加載。

同上述加載方式一樣，再添加一種底面積為12 m×3 m的梁單元加載，得到的最大彎矩、最大剪力、最大扭矩、最大縱向變形如表3所示。其中，3號加載方式為底面積為12 m×6 m的梁單元加載，4號加載方式為底面積為12 m×3 m的梁單元加載。

從表3數據可以看出，在短跨側進行沙袋壓載后，3號加載方式在最大彎矩、最大剪力、最大扭矩以及梁體豎向位移方面均高于4號加載方式，選用4號加載方式更優。

在施工中，沙袋的加載形式有很多種，現選用由方木和沙袋組成的加載模塊，在一個加載模塊中，橫向和縱向分別依次排列有多條方木形成的方木底座，方木上每隔一定距離設有一個鉆孔，在橫向方木和縱向方木通過鉆孔用螺栓固定，方木底座的上方設有一層沙袋，在模型38單元、39單元梁端上加載，加載底座方木采用5 cm×10 cm×300 cm，采用平均質量為1 t的沙袋，沙袋規格為90 cm×90 cm×90 cm，布載長為3 m，寬為12 m，每層可放置33個沙袋，加載7層，最大布載總量為230 t。

5 結論

基于65 m+110 m+65 m連續剛構橋懸臂不等長施工方案，本研究分別采用水箱加載及沙袋加載方法，對內力及變形進行詳細的有限元分析。結果發現，不等長懸臂高架橋有較大的不平衡彎矩，必須在短跨端部添加一定的配重才能達到穩定;若采用水箱加載，則需要在短跨上砌筑一個4 m×5 m×12.5 m的水箱，在長跨澆筑施工完成的同時，水箱加載到220 t時，懸臂兩側受力平衡;若采用沙袋加載，則選用由方木和沙袋組成的加載模塊在短跨上加載，加載底座方木采用5 cm×10 cm×300 cm，采用平均質量為1 t的沙袋，布載長為3 m，寬為12 m，7層高，每層放置33個沙袋，沿橋面布置，最終布載203 t。根據上述分析結果，人們對現場施工進行指導，達到了預期效果，說明運用本文的分析方案對連續剛構橋懸臂不等長施工的模擬分析與實際情況是吻合的，完全滿足受力及施工控制的要求。

參考文獻：

[1]梁曾奇，李因富，黃海東.連續剛構橋長懸臂掛籃施工現澆段、合龍段結構行為分析[J].中外公路，2016（1）：192-196.

[2]李定倫.連續剛構橋中跨合攏配重效應分析[J].中外公路，2014（3）：131-134.