簡支轉連續剛構橋施工方案優化設計研究

謝繼中

(廣西交投宏冠工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

近年來，簡支轉連續體系橋梁因具有施工方便、造價低、行車舒適及后期養護少等特點，逐漸在我國橋梁事業中得到廣泛應用[1]。但由于施工設計的不足，導致該類型橋梁在后期檢測中頻繁出現結構下撓、墩身變形及受力不均等問題[2-3]。因此，如何解決簡支轉連續體系橋梁的施工設計問題已成為當下學者亟須研究的重要課題[4]。

目前，國內外學者針對這一問題展開了大量研究，如吳智等[5]采用施工簡單、經濟合理、安全可靠的簡支轉連續鋼筋桁架樓承板的施工方法，解決了鋼筋桁架樓承板跨度超出其常規最大承載跨度的問題，且施工技術合理、可靠。李彥革[6]以簡支轉連續上部結構施工為研究對象，就相關施工流程及關鍵工藝進行針對性分析，并對伴隨施工過程中可能出現的病害提出了相應的處治方案。李振彪[7]闡述了簡支轉連續橋梁的相關內容，分析簡支轉連續橋梁結構施工控制技術，進而探索展開簡支轉連續橋梁結構施工的質量控制措施，從而為類似工程提供借鑒。朱小林[8]采用有限元軟件建立簡支轉連續斜T梁橋三維數值模型，分別探討在恒載和移動荷載作用下，不同斜交角度的斜T梁橋受力變化規律。目前，學者關于簡支轉連續梁橋的相關研究已經相當成熟，而關于簡支轉連續剛構橋的研究還有待進一步完善。基于此，本文通過有限元分析，針對簡支轉連續剛構橋施工方案的優化設計進行深入研究，以期為類似橋梁的施工設計提供一定參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結構

某四跨簡支轉連續剛構橋跨徑布置為(36+42+42+36)m=156 m，設計最高行駛速度為60 km/h。橋梁上部結構主梁采用單箱單室等高度連續箱梁，箱梁采用C60混凝土，梁高為2.2 m，箱梁頂板寬度為12.5 m，底板寬度為3.2 m，主梁邊、中跨標準截面頂板厚25 cm，底、腹板厚30 cm，墩頂處濕接縫截面頂板厚度為45 cm，底、腹板厚度為50 cm。下部結構橋墩采用矩形截面墩，澆筑采用C50混凝土，主墩順橋向厚度為1.2 m，邊墩順橋向厚度為0.8 m；樁基礎采用澆孔灌注樁基礎，澆筑采用C40混凝土，呈梅花形布置，直徑為0.5 m。主梁施工采用短線法節段預制技術，先采用架橋機逐跨拼裝形成簡支梁段，再進行合龍施工形成連續剛構橋體系橋梁。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖

1.2 施工方案

根據簡支轉連續剛構橋結構特點及預應力體系的對稱特性，原橋設計施工方案如下：(1)基礎、承臺、橋墩以及各墩頂0#塊施工，搭建臨時支撐；(2)采用架橋機依次吊裝1跨預制節段，調整線形并臨時固定邊墩頂部，張拉臨時緊固裝置；(3)張拉梁段內預應力鋼束及壓漿，調整梁體標高線形；(4)依次對橋梁2～4跨進行吊裝簡支梁施工；(5)依次澆筑各墩墩頂濕接縫，并張拉墩頂預應力筋和底板通長筋；(6)張拉邊墩豎向預應力筋，形成全橋固結剛構體系；(7)最后完成橋面鋪裝施工。

2 模型建立及優化設計

2.1 有限元模型

運用有限元軟件Midas Civil建立簡支轉連續剛構橋數值模型，主梁、橋墩結構均采用梁單元模擬，按照施工節段進行單元劃分，全橋共包含132個單元和137個節點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型圖

計算模型中臨時鋼管支架采用彈性支撐模擬，對承臺底部進行固結處理，計算分析時不考慮樁墩的影響，假定簡支梁段吊裝已通過緊固裝置完成拼裝。計算荷載考慮結構自重26 kN/m3，二期恒載90 kN/m3，張拉錨下預應力1 307 MPa，收縮徐變計算至二期恒載施工后1 000 d，整體升、降溫考慮22 ℃，溫度梯度按規范要求取值。模型中主要材料計算參數如表1、表2所示。

表1 混凝土計算參數表

表2 預應力鋼絞線計算參數表

2.2 優化方案

根據原橋的設計特點及施工可行性，提出了一種工期更短的施工方案，具體施工步驟如下：(1)～(4)施工步驟與原設計方案相同；(5)先澆筑2#、4#墩頂濕接縫，并同時張拉2#、4#墩頂連續預應力筋；(6)再澆筑3#墩頂濕接縫，并依次張拉3#墩頂連續預應力筋和底板通長筋；(7)對邊墩固結后澆帶進行澆筑，完工后張拉邊墩豎向預應力筋，形成全橋固結剛構體系；(8)最后完成橋面鋪裝施工。

3 結果與分析

為選擇簡支轉連續剛構橋更優施工設計方案，分別模擬恒載+預應力+收縮徐變(工況一)、恒載+活載(工況二)、恒載+降溫(工況三)及收縮徐變(工況四)4種荷載工況，并針對兩種方案施工橋梁的變形及受力特點進行對比分析。

3.1 位移分析

為比較兩種施工方案連續剛構橋墩身變形規律，針對成橋后4種荷載工況下橋墩的墩頂位移進行計算分析，結果如圖3所示。

圖3 優化前后墩頂最大位移變化曲線圖

根據圖3可知，采用優化方案后，工況一作用下的墩頂最大位移值由20.7 mm降至18.2 mm，減幅為12.1%；工況二作用下的墩頂最大位移值由21.7 mm降至19.1 mm，減幅為11.9%；工況三作用下的墩頂最大位移值由28.8 mm降至25.4 mm，減幅為11.8%；工況四作用下的墩頂最大位移值由19.3 mm降至17.2 mm，減幅為10.8%。在不同荷載組合作用下，采用優化方案的橋梁墩頂最大位移均要小于原設計施工方案，橋墩的墩身變形量越小，越有利于橋墩的結構受力和施工控制，由此可知，優化方案對于控制橋梁墩頂變形效果更優。

3.2 彎矩分析

針對兩種施工方案連續剛構橋的橋墩彎矩值進行計算分析，得到4種荷載工況下墩頂、墩底最大彎矩值如圖4所示。

圖4 優化前后墩頂最大彎矩變化曲線圖

根據圖4可知，在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續剛構橋墩底最大彎矩基本一致，說明優化方案對于橋墩墩底的受力影響不大。采用優化方案后，工況一作用下的墩頂最大彎矩值由1 353 kN·m降至1 178 kN·m，減幅為12.9%；工況二作用下的墩頂最大彎矩值由1 560 kN·m降至1 401 kN·m，減幅為10.2%；工況三作用下的墩頂最大彎矩值由2 716 kN·m降至2 409 kN·m，減幅為11.3%；工況四作用下的墩頂最大彎矩值由912 kN·m降至841 kN·m，減幅為7.8%。在不同荷載組合作用下，采用優化方案的橋梁墩頂最大彎矩值均要小于原設計施工方案，說明對于控制橋墩的結構受力和施工控制而言，優化施工方案要優于原設計施工方案。

3.3 剪力分析

針對兩種施工方案連續剛構橋的橋墩剪力值進行計算分析，得到4種荷載工況下墩頂最大剪力值如圖5所示。

圖5 優化前后墩頂最大剪力變化曲線圖

根據圖5可知，采用優化方案后，工況一作用下的墩頂最大剪力值由232 kN降至224 kN，減幅為3.4%；工況二作用下的墩頂最大剪力值由261 kN降至254 kN，減幅為2.7%；工況三作用下的墩頂最大剪力值由475 kN降至467 kN，減幅為1.7%；工況四作用下的墩頂最大剪力值由170 kN降至159 kN，減幅為6.5%。在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續剛構橋的墩頂最大剪力差距不大，說明優化方案對于橋墩的剪力基本沒有影響。

3.4 線形分析

針對兩種施工方案連續剛構橋主梁關鍵截面的豎向撓度進行計算分析，得到主梁成橋線形如圖6所示。

根據圖6可知，采用兩種施工方案的連續剛構橋主梁線形變化趨勢大致相似，其中采用原施工方案的連續剛構橋邊跨最大豎向撓度值相對較小，采用優化方案施工的連續剛構橋跨中最大豎向撓度相對較小，說明優化方案會對橋梁線形產生一定影響。其中采用原方案和優化方案施工的連續剛構橋邊跨最大豎向撓度值分別為29.33 mm和30.71 mm，相差約4.5%，而跨中最大豎向撓度值分別為28.93 mm和24.98 mm，相差約13.7%。優化施工方案雖然在一定程度上增大了橋梁邊跨的豎向變形，但卻大幅度降低了橋梁跨中的豎向變形，這對于成橋線形的均勻度和橋梁結構的安全性非常有利。由此說明，對于控制連續剛構橋成橋線形來說，優化施工方案要優于原設計施工方案。

圖6 優化前后主梁線形變化曲線圖

4 結語

本文提出了一種簡支轉連續剛構橋施工的優化方案，并針對優化前后施工橋梁的墩身變形、主梁線形、墩身彎矩及剪力進行建模分析，得到以下主要結論：

(1)在不同荷載組合作用下，采用優化方案的橋梁墩頂最大位移均要小于原設計施工方案，其中墩身變形最大減幅可達12.1%，說明優化方案對于控制橋梁墩頂變形效果更優。

(2)采用優化方案后，簡支轉連續剛構橋的墩頂彎矩最大減幅可達12.9%，且在不同荷載組合作用下墩頂的最大彎矩均要小于原設計方案，說明優化施工方案對于控制橋墩的結構受力效果更好。

(3)在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續剛構橋的墩頂最大剪力差距較小，說明優化方案對于橋墩的剪力影響基本可忽略不計。

(4)優化方案相對于原設計方案會增大橋梁邊跨4.5%的豎向變形，但同時可降低跨中13.7%的豎向變形，對于控制簡支轉連續剛構橋的成橋線形效果更優。