小半徑曲線梁與移動模架耦合效應分析

赫中營 丁 劍 吳院生 陳 譽 汪家軍 王根會

(1.河南大學土木建筑學院 河南開封 475004；2.中鐵四局集團有限公司城市軌道交通工程分公司安徽合肥 230000；3.蘭州交通大學土木工程學院 甘肅蘭州 730070)

1 引言

移動模架是一種自帶模板，利用承臺或墩柱作為支承，對混凝土橋梁進行現場澆筑的施工機械[1]，具有施工周期短、交通影響小、施工工序標準化程度高以及不受橋下地質條件影響等優勢而在混凝土橋梁建設中得到廣泛運用。目前我國移動模架研究多集中于直線橋的強度、剛度、穩定性的驗算[2]。對于曲線箱梁來說彎扭耦合效應是其突出的受力特點，在圓心角較小、橋寬較大時，曲線內外側受力出現明顯差異，內側甚至出現拉應力。所以鑒于曲線橋的受力特點，有必要對曲線橋施工過程中移動模架－箱梁耦合效應進行研究，以確保施工安全。

彭武忠等[3]對移動模架主要結構采用的Q345B和Q235B材料進行荷載試驗，驗證了其性能指標均符合相關規范的要求；羅桂軍、謝暉等[4]對移動模架進行有限元數值分析以及理論計算，提出彈性變形修正計算公式；張俊杰[5]對移動模架進行理論分析和預壓試驗，結果表明移動模架造橋方案是安全可行的；Shidi[6]對某連續梁橋的寬幅施工進行了監測；YaXun Yang、WeiYa Fan[7]結合連續梁橋的施工監測方法，介紹了主梁應力應變測試技術并分析了影響應力測試的各種因素；黃超[8]對移動模架的撓度變形規律以及如何判斷移動模架的安全性能和修正移動模架的剛度進行了研究，提出了完整的移動模架預壓試驗方案；Guangyue Wang、Jian Liu、Qi Fan[9]通過對現澆施工中懸臂梁模板標高和應力監測的系統研究，分析了影響撓度和應力的因素；趙啟林，濮衛等[10]研究了混凝土澆筑過程中模架關鍵部位的應力變化情況，并利用實測應力值指導模架變形控制；王立超[11]以某工程為背景，對移動模架的設計、安全性檢測及適用性進行研究。

綜上所述，目前學者們對移動模架施工過程中安全性進行了大量研究，而且對耦合模型的建立方法等也有大量文獻，但對小半徑曲線梁施工時移動模架－箱梁耦合效應的研究較少。基于此，本文基于實際工程，建立移動模架－箱梁耦合分析模型，并將現場實測結果與數值模擬結果進行對比，以驗證數值分析的可靠性。最后分析各施工階段移動模架和箱梁之間的力、變形耦合變化及耦合效應對箱梁變形的影響，結果可為移動模架法施工小半徑曲線梁提供參考。

2 工程概況及監測方案

某地鐵高架區段全長1.7 km，地形較特殊，場地標高變化幅度大，地面標高在165～235 m，最高墩身高33.5 m，采用移動模架現澆施工法。本文以31號、32號墩之間的箱梁為研究對象，跨徑為35 m，曲率半徑335 m。移動模架采用DSZ35/600上承式移動模架。

2.1 監測目的

移動模架－箱梁耦合模型建立時邊界條件的設定對耦合數據影響至關重要，因此為驗證移動模架－箱梁耦合模型的準確性，需要在箱梁施工過程中對箱梁和移動模架鋼導梁進行應力監測，同時對鋼導梁進行變形監測，測點布置如圖1、圖2所示。

圖1 移動模架鋼導梁測點布設(單位:mm)

圖2 箱梁監測布置

2.2 監測過程

根據箱梁施工過程，箱梁在初張底板后進行脫模，此時不再考慮移動模架－箱梁耦合效應。因此，監測時機(工況)選擇為混凝土凝結、初張腹板、初張底板三個階段，并在混凝土澆筑前采集初值。

2.3 耦合模型建立

采用有限元軟件進行仿真模擬，模型中移動模架鋼導梁、掛梁構件用梁單元進行模擬，移動模架底板采用板單元進行模擬，箱梁采用梁單元進行模擬。箱梁與移動模架采用彈性連接中的受壓連接，耦合分析數值模型如圖3所示。

圖3 移動模架－箱梁耦合分析數值模型

3 監測值與模擬值對比分析

采用JMZX-3001L綜合測試儀對鋼導梁、箱梁各測點的應力進行跟蹤測試，表1、表2為各測試部位的應力實測值與理論值，表3為各測試部位的撓度實測值與理論值。

表1 各工況移動模架鋼導梁應力值 MPa

表2 各工況箱梁應力值MPa

表3 各工況移動模架鋼導梁撓度值 mm

綜合以上監測結果可看出:

(1)每一工況監測值的絕對值大于數值分析的絕對值，這主要因為數值模擬中未考慮施工過程中機具、人員、風荷載、溫度等眾多隨機因素的影響。

(2)宏觀上同一測點的監測值與數值模擬曲線吻合，數據變化趨勢一致，這說明監測值和數值模擬結果均較好地反映了結構施工過程中受力變化規律，所建數值分析模型能用于模架－箱梁的耦合效應規律分析。

(3)初張腹板時箱梁內外側應力值相同，初張底版時內外側應力發生變化，支點處增幅較小，跨中增幅較大，梁內外側應力最大差值為0.1 MPa，約占總應力的0.62%。

4 模架－箱梁耦合效應分析

移動模架法施工過程中體系轉換過程較為復雜，模板和箱梁某段時間處于全接觸狀態，某段時間又處于非全接觸狀態，結構耦合度較高，邊界條件復雜，作用量值不明確，因此需要對移動模架施工時的耦合作用過程進行討論分析。

4.1 耦合模型計算結果及分析

為了更進一步了解移動模架各施工階段與箱梁之間的耦合變化，分別選取移動模架鋼導梁、模架底板、箱梁進行分析研究(節點布置見圖4)，以深入評估模架與箱梁之間的耦合作用關系。表4和圖5比較了模架和箱梁各節點撓度耦合變化情況。

圖4 節點示意

表4 撓度耦合變化 mm

圖5 移動模架和箱梁各工況下撓度變化曲線

由表4和圖5可知:由于預應力筋的作用，腹板張拉結束箱梁仍未完全脫模，初張底板后才完全脫模，該移動模架－箱梁耦合分析結果符合實際工程情況，結果較為合理，具體分析如下:

(1)混凝土凝結時，箱梁的全部自重由移動模架承擔，張拉預應力時，移動模架變形越來越小，箱梁自身變形增大。

(2)初張腹板結束后箱梁未脫模。

(3)初張底板過程中逐漸完全脫模。

4.2 耦合效應對箱梁變形的影響

4.2.1 耦合效應分析

對箱梁各施工階段耦合數據進行分析可知，初張腹板后箱梁與移動模架仍處于接觸狀態，所以在初張底板過程中，移動模架－箱梁仍存在耦合作用，在進行數值分析時，由于無法確定初張底板過程中，耦合效應何時消失，所以本文假設箱梁在張拉過程中始終存在耦合效應。根據不同粘貼情況對預應力張拉時箱梁豎向變形的影響進行耦合效應分析如下:

(1)根據路橋施工計算手冊[12]，C50混凝土與模板的切向粘結力為:對于鋼模板，涂廢機油時平均值為15.1 kPa，最大值為27.5 kPa；涂隔離劑時平均值為5.9 kPa，最大值為18.0 kPa。

(2)假定混凝土現澆箱梁與模板之間的切向粘結力為 5.9 kPa、10 kPa、14 kPa、18 kPa、22 kPa 和27.5 kPa六種情況，分別計算以上六種系數下箱梁的豎向位移。

4.2.2 變形分析

考慮不同粘結力約束時張拉預應力后箱梁位移變化量對比如圖6所示，其中撓度變化量是考慮箱梁與底模存在切向粘結力與不存在切向粘結力時箱梁撓度變化值。

圖6 箱梁豎向撓度變化

由圖6可以看出:

(1)張拉預應力鋼束后，由切向粘結力引起的箱梁豎向位移變化量隨粘結力的增大而增大。

(2)隨曲率半徑增加，耦合效應對箱梁撓度的影響減小，最大變化量約為0.25%。

(3)當粘結效應為5.9～27.5 kPa時，箱梁撓度變化量最大為3.841 mm，該影響量占變形量的12%，其效應較小，在線形控制時可以忽略。

5 結論

對采用移動模架現澆的橋梁，一般均不設調平層，由耦合效應引起的混凝土橋梁標高誤差會影響橋面混凝土鋪裝的施工質量。本文根據現場實測和數值分析，對小半徑曲線梁施工時，移動模架－箱梁的耦合效應進行了研究分析，得出以下結論:

(1)移動模架施工小半徑曲線梁時，隨著施工的進行，移動模架承受的力逐漸減小，箱梁完全脫模發生在初張底板階段。

(2)預應力張拉時，箱梁內外側應力最大變化量為0.1 MPa，約占總應力的0.62%，彎扭耦合效應對箱梁的影響很小，可以忽略。

(3)模板與現澆梁的切向粘結力最大值為27.5 kPa，箱梁撓度變化量最大為3.841 mm，該影響量約占變形量的12%，其效應較小，在線形控制時可以忽略。

(4)曲率半徑的變化，粘結力對箱梁撓度的影響很小，最大影響量約為0.25%。