不同合龍順序對多跨長聯波形鋼腹板連續梁橋施工方案的影響*

王程昆,張運波

(石家莊鐵道大學土木工程學院, 河北 石家莊 050043)

0 引言

多跨長聯連續梁橋施工過程中,合龍方案的選擇對連續梁結構的內力和施工監控提供的預拋高、支座預偏量會產生明顯影響。當前的合龍順序研究大多針對預應力混凝土連續梁橋,對多跨長聯波形鋼腹板箱梁橋的研究較少。同時,不同的合龍方案也會對結構內力、成橋線形、支座縱向位移及施工工期產生顯著影響。合理的合龍順序能降低施工成本、加快施工進度,使最終的成橋線形和內力滿足設計要求。所以根據不同的現場情況,選擇適當的合龍順序很必要。本文以某座11跨波形鋼腹板連續箱梁橋為研究對象,分析其合龍順序對成橋內力、豎向累積位移、支座縱向位移等的影響。

1 工程概況

某11跨單箱單室波形鋼腹板連續梁橋,采用85m+9×150m+85m橋跨布置形式。箱室為變截面變高度形式,箱梁頂板寬12.75m、底板寬6.75m,墩頂梁高10m,跨中梁高5m,按1.8次拋物線過渡,橋面設置2%橫坡。該橋主梁采用同步異位懸臂澆筑法進行施工,在懸臂施工階段,主梁與橋墩作臨時剛接處理,主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面示意(單位:cm)

2 有限元建模

2.1 上部結構建模

采用MIDAS/Civil有限元軟件中的聯合截面法建立主梁模型。結合同步異位施工過程并考慮施工過程中結構的受力特點,根據實際施工步驟按一定順序激活頂、底板及波形鋼腹板模擬施工過程。

建模時為計算方便,對原設計進行了一些簡化處理:建模過程中忽略普通構造鋼筋對結構的影響;不考慮橫隔板的抗扭作用,只考慮其重力作用,等效成集中力荷載進行加載;內襯混凝土只考慮其重力作用,等效成均布荷載進行加載;掛籃荷載及混凝土濕重荷載等效成一個集中力+彎矩形式進行加載。

全橋共劃分了715個結點、690個單元。頂、底板采用C55混凝土,鋼腹板采用Q345D鋼。半跨劃分為14個施工節段,第15段為合龍段。自重:按實際斷面計算,重度為26kN/m3;活載:公路Ⅰ級,考慮主梁偏載放大系數1.15;二期恒載:包括橋面鋪裝及防撞欄桿等,以重度75kN/m3計;混凝土收縮、徐變:環境年平均相對濕度取55%,混凝土收縮開始齡期取3d,收縮、徐變持續時間取3 650d;溫度:主梁體系升溫30℃,體系降溫-42℃,溫度梯度參考JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》,取豎向日照正溫差T1=14℃,T2=5.5℃,反溫差按正溫差乘以-0.5取值;新澆筑混凝土激活齡期取5d;體內及體外預應力鋼束采用1 860MPa鋼絞線。全橋模型如圖2所示。

圖2 全橋模型(1/2結構)

2.2 邊界條件設定

該模型邊墩及主梁墩頂約束采用一般支承進行模擬。6號墩設置為固定支座,其余設置為滑動支座。支座與主梁的連接采用彈性連接中的剛性連接進行模擬,墩頂臨時剛接采用一般支承限制其所有方向位移來進行模擬。

2.3 施工階段劃分

施工階段按實際施工進行劃分,即在澆筑完1號塊底板混凝土后,后續節段按同步異位的順序進行激活。具體流程如表1所示。

表1 主橋施工階段劃分

3 合龍方案

對于多跨長聯波形鋼腹板連續梁橋,根據現場實際情況,其合龍方案可分為4種:①方案1 從兩邊向中心依次對稱合龍;②方案2 從中心向兩邊依次對稱合龍;③方案3 先將Τ構合龍成獨立的Π構,再按順序進行Π構合龍;④方案4 在將Τ構合龍成獨立的Π構基礎上,先將全橋合龍為獨立的3部分,最后再合龍剩余的2個合龍口。這4種合龍方式都采用邊合龍邊進行體系轉換的形式。具體合龍順序如表2所示。

表2 主橋合龍方案

4 結果分析

4.1 位移分析

4.1.1豎向累積位移

各合龍方案在其二期恒載加載完成后,其豎向累積位移如圖3所示。由圖3可看出,4種合龍方案的豎向累積位移極值分別為-59.92,-166.79,-81.88, -87.76mm,且都出現在合龍段。各合龍方案在第6跨及中跨的豎向累積位移差值很小,且變化趨勢基本一致。在邊跨處,除方案2外,其他3種方案位移變化值及變化趨勢基本一致。但在次邊跨至中跨間各跨的位移變化趨勢有所不同,位移值也有較大差異。

圖3 二期恒載完成后豎向累積位移(1/2全橋)

綜合考慮總體線形變化幅度及位移極值,方案1最優,其次為方案3和方案4,方案2為最差合龍方案。所以僅考慮豎向累積位移影響的合龍方案優劣順序為:方案1>方案3>方案4>方案2。

4.1.2支座縱向位移

在波形鋼腹板連續梁橋施工過程中,合龍段預應力張拉、合龍溫度及混凝土收縮、徐變等都會使橋梁的活動支座產生縱向位移,從而導致支座出現偏心受力,甚至可能危及橋梁正常運營。所以支座預偏值設置在橋梁設計、施工過程中不可忽視。為此,需在橋墩支座上座板與支座理論中心線間預設縱向偏移量,以抵消合龍后梁體產生的縱向位移,從而避免支座出現偏心受力。

在此討論不同合龍順序對支座縱向位移的影響。4種合龍方案的支座縱向位移如圖4所示。

圖4 支座縱向位移

由圖4可看出,6號墩為固定支座,其位移為0;其余各支座以6號墩為中心,縱向位移逐漸增大,其中正負號表示位移方向。各合龍方案最大支座縱向位移分別為163.10,115.77,114.41,118.75mm,除方案2位于次邊墩支座外,其余均位于邊墩支座。從總體來看,方案1的支座縱向位移最大,方案3的支座縱向位移相對較小。各方案支座縱向位移最大差值達60.02mm。僅考慮支座縱向位移,合龍方案的合理選擇為:方案3>方案2>方案4>方案1。

4.2 頂、底板應力分析

應力控制是波形鋼腹板連續梁橋施工控制的重要內容。在橋梁施工過程中及成橋后,應確保橋面板不出現拉應力,從而防止因頂、底板混凝土開裂而影響橋梁的使用壽命。多跨長聯波形鋼腹板連續梁橋的合龍順序在一定程度上影響應力分布。

主梁應力選取關鍵節點進行分析,分別為懸臂根部、1/4跨處及合龍段處,即對0,7號塊前端及合龍段處進行分析。各合龍方案在其二期恒載加載完成后,其頂、底板應力如圖5所示,圖中負值表示壓應力,正值表示拉應力。由圖5可看出,4種合龍方案在二期恒載施工完成后,其頂、底板應力均為負值,即頂、底板都處于受壓狀態。

圖5 二期恒載完成后頂、底板應力(1/2全橋)

除方案2外,其他3種合龍方式頂、底板的應力值變化不大,且4種合龍方式的頂、底板應力變化趨勢基本一致。其中,頂板最大應力值分別為-10.31, -10.36,-10.60,-10.42MPa,底板最大應力值分別為-12.46,-15.11,-13.19,-14.02MPa,可看出底板應力值大于頂板應力值。頂板應力最大差值為1.39MPa,底板應力最大差值為2.65MPa。所以可看出在不同合龍方案下,底板的應力變化相較于頂板更敏感。

上述情況說明,除方案2外,不同合龍順序對波形鋼腹板連續梁橋頂、底板的應力變化影響不大。

5 結語

1)除方案2外,不同合龍方案對頂、底板應力值影響不大,4種合龍方案頂、底板應力變化趨勢基本一致。但不同方案對成橋線形的影響不可忽略。其中,方案1對主梁豎向累積位移影響較小,對線形的控制也較容易。其余方案對主梁的豎向累積位移影響較大,這不利于線形控制。

2)參考支座縱向位移,采用方案3可使支座的縱向位移最小,所以方案3為較優方案。

3)從施工等方面考慮,前2種施工方案同時施工的合龍口較少,合龍周期相對較長,但對現場施工人員、機具設備數量配置要求較低。后2種施工方案同時施工的合龍口較多,可減少合龍周期,但對施工現場人員及機具設備數量配置要求較高。

綜上所述,從成橋線形的基礎考慮,現場選定方案1為最終合龍方案。合龍完成后,各截面高程實測值與設計值間的誤差最大值為22mm,滿足規范的限值±L/5 000=±30mm(L為跨度),且成橋線形與理論計算線形基本吻合。主橋頂、底板應力實測值與理論計算值偏差較小,變化規律基本吻合,且全截面受壓,最大壓應力為10.8MPa,滿足規范要求。可認為合龍后成橋線形及內力均滿足設計要求,合龍實施效果良好。但針對不同情況4種合龍方案都有其各自的適應環境,需根據現場需求及人員設備配置情況靈活選用。