連續剛構橋懸臂施工過程主梁變形影響因素研究*

許紅勝，劉岐，顏東煌，謝沐楊，吳佳東

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

大跨度預應力砼剛構橋建造中，掛籃懸臂對稱施工法使用越來越普遍。為消除掛籃懸臂澆筑過程中各種因素對成橋線形的影響，進行施工階段模擬，通過分析計算給出預拱度。但橋梁實際施工過程中存在多種不確定因素，如砼材料強度和彈性模量的變異性、施工誤差、模板變形造成的砼超方、臨時設備放置過多造成的施工荷載超重、預應力張拉損失、砼收縮徐變、溫度等，這些因素都會給主梁節段變形控制增加難度。需對各種因素進行提前識別，然后進行參數分析，確定主梁變形對不同因素的敏感程度及在不同因素作用下的變形規律。該文主要分析砼的結構設計參數對主梁變形的影響，得到影響砼剛構橋主梁變形的主要因素，為預拱度修正提供依據。

1 工程概況

老屯河大橋主橋跨徑為(70+130+70)m，上部結構為預應力砼連續剛構箱梁，箱梁頂板寬12.5 m，翼緣板懸挑3 m，底板寬6.5 m。頂板厚28 cm，底板厚按二次拋物線從根部的90 cm變化為跨中的32 cm，腹板厚由根部至跨中采用0.75、0.6、0.45 m。箱梁高度按二次拋物線由根部8.0 m變化到跨中的2.9 m。箱梁0#節段長13 m，每個懸澆T梁縱向對稱劃分為16個節段，1#～13#節段長3.5 m，14#～16#節段長4.0 m，主梁懸澆總長57.5 m。

2 影響因素識別分析

采用結構分析專用軟件MIDAS/Civil對該橋進行施工過程分析。將橋梁結構劃分為118個單元、123個節點，其中主梁單元94個，橋墩單元24個(見圖1)。取懸澆T梁的一邊(即左幅9#墩邊跨側)，分析彈性模量、結構超重、溫度、早期收縮徐變等參數對主梁變形的影響程度及敏感性。

圖1 全橋仿真分析有限元模型

2.1 彈性模量

砼彈性模量是材料本身的固有屬性，其取值會對剛構橋上部主梁結構的線形產生明顯影響。但在橋梁實際施工過程中，由于砼的配比、水泥種類、水灰比及養護條件等原因，現場施工砼的實際彈性模量不同于砼的設計彈性模量。另外，為追求施工進度等，在進行預應力張拉或下一節段施工時，砼的實際彈性模量可能不能達到模型中對應工況下彈性模量。砼彈性模量分別取3.45×104(C50砼彈性模量標準值E)、3.277 5×104(0.95E)、3.105×104(0.90E)、2.934 5×104(0.85E)、2.76×104MPa(0.80E)，其余參數仍取理論值，分析彈性模量對主梁節段變形的影響，結果見圖2、圖3。

由圖2、圖3可知：剛構橋主梁節段變形隨著砼彈性模量的減少而增大，且彈性模量減小越多，主梁下撓程度越大；施工最大懸臂節段(16#塊)時，彈性模量對主梁變形的影響最大。砼彈性模量為0.95E時，主梁最大懸臂節段的沉降量為34.235 mm，相對于標準理論值多下沉1.262 mm；砼彈性模量為0.90E時，主梁最大懸臂節段的沉降量為35.671 mm，相對于標準理論值多下沉2.698 mm；砼彈性模量為0.85E時，主梁最大懸臂節段的沉降量為37.242 mm，相對于標準理論值多下沉4.269 mm；砼彈性模量為0.80E時，主梁最大懸臂節段的沉降量為38.997 mm，相對于標準理論值多下沉6.024 mm。彈性模量的變化對初始幾個節段變形的影響較小，隨著懸臂端的加長，對主梁變形量的影響越來越明顯。在小跨徑橋梁中可暫時不考慮彈性模量對主梁節段變形的影響，但對于大跨徑橋梁，這一因素不容忽視。

圖2 不同砼彈性模量對主梁撓度的影響

圖3 砼彈性模量變異產生的相對變形量

2.2 結構超重

在橋梁施工前，運用MIDAS/Civil進行仿真模擬分析時，可根據設計文件定義砼的容重。但在橋梁施工過程中，由于模板變形、砼超方、橋面堆放過多較重臨時設備等，橋梁結構實際重量會大于模型自動計算的節段自重。由于剛構橋懸臂施工的特殊性，自重誤差會對主梁節段變形產生較大影響。在建模前期結構的截面尺寸等已經輸入，即砼的方量間接固定，可通過調整砼容重實現荷載超重對主梁變形的影響。考慮實際施工中荷載超重情況，將分析工況分為超過圖紙設計值G的5%、10%、15%、20% 4種，其余相關參數仍取理論值，分析結構超重對主梁節段變形的影響，結果見圖4、圖5。

圖4 不同程度結構超重對主梁撓度的影響

圖5 不同結構超重對主梁相對變形量的影響

由圖4、圖5可知：剛構橋主梁節段變形隨著荷載超重值的增大而增大。荷載超重5%時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為35.259 mm，比標準情況多下沉2.286 mm；荷載超重10%時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為38.567 mm，比標準情況多下沉5.594 mm；荷載超重15%時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為42.330 mm，比標準情況多下沉9.357 mm；荷載超重20%時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為47.421 mm，比標準情況多下沉14.448 mm。主梁變形與懸澆段距離0#塊的距離有很大關系，隨著懸澆段的增長，結構超重對主梁沉降變形的影響越來越大。荷載超限1.1倍以上，這一因素對主梁變形的影響急劇增加，增大30%。因此，施工過程中需充分考慮砼實際容重，避免模板產生過大變形，同時避免在橋面上堆積過重的臨時設施。

2.3 溫度

剛構橋懸臂施工周期較長，外界各種自然環境條件的變化必然對主梁變形產生影響。隨著日照時間的增減，剛構橋箱室內外的溫度改變，這種溫差會在已澆筑節段形成溫度場，進而對主梁結構造成溫差變形。取剛構橋處于最大懸臂狀態進行分析，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》進行荷載施加，分別考慮整體升溫5、10、15、20 ℃，分析溫度對主梁節段變形的影響，結果見圖6、圖7。

圖6 不同溫度變化對主梁變形的影響

圖7 不同程度升溫對主梁造成的相對變形量

由圖6、圖7可知：剛構橋主梁節段變形隨著整體溫度的升高而增大。整體升溫5 ℃時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為36.146 mm，比標準情況多下沉3.173 mm；整體升溫10 ℃時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為39.908 mm，比標準情況多下沉6.935 mm；整體升溫15 ℃時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為44.999 mm，比標準情況多下沉12.026 mm；整體升溫20 ℃時，主梁節段最大懸臂端的沉降量為52.730 mm，比標準情況多下沉19.757 mm。在相同升溫條件下，懸澆段越長，主梁變形對溫度的變化越敏感。整體升溫20 ℃時，16#梁段(懸臂長度57.5 m)的變形比8#梁段(懸臂長度為28 m)多18.533 mm。溫度改變對主梁變形有顯著影響是從8#梁段開始的，施工至8#節段時，應重視溫度對主梁變形的影響。進行橋梁監控高程采集時，應盡量選在清晨箱室內外溫差不大的時刻，以避免溫度場對主梁變形的不利影響。

2.4 砼收縮徐變

剛構橋成橋前的施工過程中，砼收縮徐變對主梁變形的影響可分為現施工節段自身收縮徐變產生的變形、此前已澆筑節段持續的收縮徐變對后續節段造成的累積變形。常規掛籃懸臂施工中1個節段的周期在15 d以上，老屯河大橋一般為7～10 d，砼在自身節段收縮變形經歷的時間很短，這一階段產生的收縮徐變很小。因此，主要分析施工至最大懸臂節段時已澆筑節段砼的收縮徐變對后續節段變形的影響。對最大懸臂端考慮不同模型下收縮徐變和不考慮收縮徐變進行對比，結果見圖8。

圖8 不同規范徐變模型對主梁變形的影響

由圖8可知：在剛構橋懸臂施工階段，砼的收縮徐變較小；施工至懸臂節段時，中國規范和日本規范的收縮徐變規律較相似，而歐洲規范和韓國規范的收縮徐變規律大致相同；按歐洲規范中的收縮徐變模型計算所得收縮徐變量最小，懸臂端為2.299 mm，按中國規范中收縮徐變模型計算所得收縮徐變量最大，懸臂端為3.367 mm，但都小于5 mm。施工過程中可不考慮收縮徐變的影響，成橋后才考慮收縮徐變，并將收縮徐變考慮進成橋預拱度中。

2.5 各因素影響程度分析及控制方法

在剛構橋懸臂施工中，溫度對主梁節段變形的影響最大，也最敏感，懸臂施工中需特別注意這一因素。控制溫度對主梁變形影響的方法主要有固定時間法、相對立模法、溫度修正法，受施工工期限制，實際施工中采用相對固定法不易實現，溫度修正法又需要長期大量的溫度觀測，帶來額外的工作量，因而常采用相對立模法。

在全橋合龍前的懸臂施工階段，砼收縮徐變造成的主梁變形最小，幾乎可忽略，可不考慮砼在前期的收縮徐變，僅考慮成橋以后的長期收縮徐變。

選取5#、10#、16#梁段，采用主梁變形相對變化率對結構超重和砼彈性模量的影響進行對比分析，結果見圖9～11。

圖9 5#梁段設計參數敏感性分析

圖10 10#梁段設計參數敏感性分析

圖11 16#梁段設計參數敏感性分析

由圖9～11可知：在10#梁段(懸臂長度為35 m)，彈性模量和結構超重對主梁變形的影響及敏感度大致相當；10#梁段之前，對主梁變形的影響程度彈性模量稍大于結構超重，敏感性二者大致相當；10#梁段之后，結構超重和砼彈性模量對主梁變形都有不可忽視的影響，結構超重的影響程度和敏感性比砼彈性模量大。實際工程中需根據不同情況，通過測試試驗得到實測值，然后提前進行相應修正。

3 結論

以老屯河大橋主橋為例分析懸臂施工中結構設計參數對預應力砼剛構橋主梁變形的影響程度及敏感性，結論如下：

(1)施工懸臂節段較小(懸臂長度<35 m)時，各因素對主梁變形的影響較小，敏感性大小為溫度>荷載超重>彈性模量>收縮徐變；施工懸臂節段較大(懸臂長度>35 m)時，各因素對主梁變形的影響都較大，敏感性大小為溫度>荷載超重>彈性模量>收縮徐變。懸臂施工中溫度對主梁變形的影響不容忽略，需采取相應措施加以避免或進行修正。

(2)荷載超重及彈性模量對主梁變形的影響不容忽視，必須通過實測進行參數調整，以保證合龍精度和橋梁線形。

(3)收縮徐變對主梁變形的影響最小，在懸臂施工階段可不考慮其影響，只在成橋后予以考慮。