懸臂現澆連續箱梁施工階段變形與應力分析

高典，王躍飛，李俊，趙弘宇，張海歌

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 引言

隨著橋梁工程施工設備的發展，預應力混凝土連續梁橋因其適用性強、力學性能好等優勢被廣泛應用在大跨度橋梁建設中，極大地提高了施工效率和質量。懸臂澆筑和懸臂拼裝是目前主要的懸臂施工方法。

目前，預應力混凝土連續梁橋施工技術日漸成熟，懸臂施工相關的研究也逐漸增加。鐘志彬[1]、牛文[2]對掛籃現澆的臨時固結、懸臂現澆、合龍段三大關鍵階段的施工方法進行了分析；竇文林[3]、劉東霞等[4]通過數值模擬方法，對橋梁施工過程進行了分析研究；朱嘉等[5]對掛籃進行了施工過程監測和模擬分析；馬克誠[6]、劉喜輝等[7]對懸臂掛籃施工的現場監測技術進行了研究，科學合理的監控量測可以對施工管理和控制提供有效支持；朱江[8]對甘草店宛川河特大橋進行了模擬和監測研究，指導了橋梁的施工。

本文結合工程實例，以有限元方法為理論依據，通過Midas Civil軟件模擬橋梁懸臂澆筑施工各個階段，計算分析控制截面上各個測點在懸臂施工階段、合龍階段施工狀態下關鍵部位的內力、位移和階段的變形及應力變化規律。

2 工程概況

某新建公路為雙向4車道，設計速度100 km/h，其主橋為預應力混凝土變截面箱梁，橋跨布置為35 m+60 m+60 m+35 m，左右幅分離式設計。

主橋上部結構為變截面混凝土箱梁，單箱單室，腹板垂直。箱梁頂板寬12.5 m，底板寬7.5 m，翼板寬2.5 m，支點處梁高3.7 m，跨中處梁高2 m。梁高按1.8次拋物線變化。

梁體為全預應力混凝土設計，鋼絞線公稱直徑15.2 mm，抗拉強度標準值1 860 MPa。

3 施工方法與步驟

橋梁施工采用懸臂現澆，0#塊澆筑完成后與墩頂臨時固結形成T形剛構，懸臂施工采用菱形掛籃，見表1。

表1 混凝土澆筑及縱向鋼束張拉順序

4 有限元模型建立

采用有限元軟件中的梁單元，建立懸臂現澆箱梁施工模型。梁單元采用具有拉壓、扭轉、彎曲特征，其節點具有6個自由度，能夠較好地適應應力強化、大變形效應和允許變截面的特點。整座橋跨結構共劃分為72個單元，根據澆筑施工順序進行單元劃分，全橋分為3個T構、2個邊跨現澆段、2個邊跨合龍段及2個中跨合龍段。

箱梁結構模型如圖1所示。

圖1 箱梁結構模型

主要施工階段模擬以及邊界條件如下。

1）0#梁段：采用托架現澆施工，張拉預應力鋼束并錨固，設置臨時固結，安裝掛籃。

2）1#~7#梁段：懸臂對稱澆筑施工，按照掛籃懸臂澆筑施工過程依次對稱澆筑張拉，并完成掛籃行走和就位。

3）邊跨現澆：邊跨滿堂支架搭設，澆筑邊跨直線段。

4）邊跨合龍：將邊跨掛籃向外移動，利用邊跨掛籃合龍，與支架現澆段連接形成吊架；合龍處兩端及T構兩端設置配重，并連接勁性骨架；選擇一天中溫度最低時段進行合龍澆筑；最后張拉邊跨合龍段鋼束，拆除邊跨支架以及相鄰中墩臨時固結，形成正式支座。

5）中跨合龍：將中跨掛籃向外移動，拆除一套掛籃，利用一套中跨掛籃合龍，形成吊架；在中墩T構兩側增加配重，澆筑混凝土并張拉鋼束，拆除中墩臨時固結，形成正式支座。

6）拆除掛籃。

7）二期恒載：橋面現澆層及橋面系荷載。

8）收縮與徐變：計算10年收縮徐變，3 650 d。

5 模擬結果分析

5.1 節點位移變化規律

懸臂梁在施工階段，以一個懸臂澆筑T構為例，各部位發生位移變形規律隨施工工序變化規律如圖2所示。

圖2 懸臂施工階段位移變化圖

根據圖2可以發現，在梁段施工過程中，位移變化趨勢呈拱形，并隨著施工掛籃的前移，拱形逐步增大，在最后一個掛籃施工循環達到最大。混凝土澆筑會產生向下的節點位移，預應力張拉會產生向上的節點位移，張拉應力產生的位移大于混凝土自重產生的位移，隨著掛籃向外施工變形幅度逐漸增大。

邊跨合龍段施工，位移最大節點位于懸臂端部5#、25#節點，此時由于合龍段施工配重增加，會產生較小的位移波動。隨后邊跨合龍施工，5#節點張拉位移繼續增大，而25#節點保持穩定。隨中跨合龍段施工，25#節點位移增大，5#節點保持穩定。中跨節點最大位移21.8 mm，邊跨節點位移13.1 mm，中跨產生的最終變形遠大于邊跨節點。

5.2 截面應力變化規律

如圖3所示，根據梁體內力變化規律，可以得出結論：主梁在懸臂施工階段均受壓，3#節段施工時最大壓應力4.36 MPa，7#節段施工時最大壓應力8.40 MPa。每個施工節段外側應力要大于內側應力，且隨著后續節段施工，之前節段的應力逐步增大，7#塊張拉完成時，1#~4#塊應力最大。

圖3 中跨合龍后主梁應力圖

中跨合龍張拉后，最大壓應力8.88 MPa位于邊跨節段，中跨梁段應力因中跨合龍張拉后顯著降低。

5.3 截面彎矩變化規律

在橋梁懸臂施工過程中，全橋處于正彎矩狀態，梁截面下緣受拉，上截面受壓，此時正彎矩可以抵抗由懸臂施工產生的負彎矩，如圖4所示。

圖4 中跨合龍后主梁彎矩圖

如圖4中跨合龍后，在自重和合龍段預應力作用下，邊跨合龍段產生一定負彎矩，跨中合龍段正彎矩數值較小，但在T構兩側1#~3#塊正彎矩有所增加。分析其產生原因是合龍段鋼束分為頂板束和底板束，其中邊跨頂板束4束及底板束4束、中跨合龍頂板束4束及底板束6束，由鋼束產生的負彎矩大于正彎矩，因此，4#~7#梁段內正彎矩減小；而支座附近由于下部鋼束產生的水平拉力，箱梁底板受拉，因而1#~3#正彎矩進一步增大[8]。

6 結論

1）由預應力張拉產生的位移大于混凝土自重產生的位移，位移隨著掛籃向外施工幅度逐漸增大，中跨產生的位移遠大于邊跨節點的位移。

2）懸臂施工過程中全截面受壓，每個施工節段外側應力要大于內側應力，且隨著后節段的施工，前節段的應力逐步增大，合龍鋼束張拉后鋼束作用節段應力顯著減小。

3）懸臂施工過程中全橋處于正彎矩狀態，梁截面下緣受拉，上緣受壓。

在掛籃懸臂現澆橋梁施工中，分析不同施工階段梁體所處的受力狀態對施工中橋梁預拱度設置、應力監測以及中跨合龍等有著重要意義。