非對稱、變寬度連續剛構施工合龍順序優化方案分析

婁志會,錢思沁,王 偉,董 磊

(1.北京城建中南土木工程集團有限公司,北京 100020;2.南京工業大學交通運輸工程學院,江蘇 南京 210031)

連續剛構能夠滿足特大跨徑橋梁的受力及跨越能力的要求,具有行車平順、施工方便、抗震能力強、養護成本低的優點。近20年的時間里,連續剛構成為很有競爭力的橋型,然而在施工和運營的時候,連續剛構橋常出現跨中下撓過大、腹板出現斜裂縫、箱梁底板頂板出現縱向裂縫等病害[1]。

多跨連續剛構橋的施工一般為分段施工,需要經歷幾次結構體系的轉換,是一個比較長期的過程。在多跨連續剛構施工過程中,合龍順序的確定是一個重要的環節,合龍順序的不同會影響結構的內力和變形。一方面,先合龍的地方,將首先完成橋梁結構體系的轉換;另一方面,由于施工時間存在著差異,導致各梁段的材齡也存在差異,從而影響混凝土的收縮徐變,這些都會使連續剛構在成橋狀態下結構內力和累積位移不同[2-5]。合龍順序的不同還會直接影響到施工的困難程度,對于誤差的累積也會產生比較明顯的影響,并且這種誤差直接關系著各墩的施工時間安排,對工期以及造價都會產生很大的影響。

結構最終成橋狀態是否與合龍順序有關,主要通過數值模擬分析不同的合龍順序對于結構成橋狀態主梁內力及位移產生的影響,以及對墩頂位移、墩底截面最大應力的影響。提出最佳合龍順序方案以保證結構安全、成橋線形平順。

1 工程概況

南京至句容城際軌道交通工程K7+489.09～侯家塘站區間連續剛構是一座45 m+3×80 m+45 m預應力混凝土連續剛構橋,采用掛籃懸臂分段澆筑的施工方法,先邊跨合龍后中跨合龍施工。主梁采用單箱雙室直腹板箱梁截面,梁頂寬9.95～12 m,梁底寬6.45～8.5 m,箱梁梁底按二次拋物線進行變化,支點間距4.5～6.5 m。箱梁翼緣懸臂長1.75 m。中支點截面梁高5 m,跨中和邊支點截面梁高2.5 m。

該橋箱梁的頂板厚度均為30 cm。懸臂澆筑段底板的厚度在跨中截面為30 cm,支點截面處為75 cm,按二次拋物線形式變化。邊跨直線段在2.03 m的范圍內箱梁底板的厚度由30 cm變成40 cm。邊跨、中跨合龍段箱梁底板的厚度均為30 cm。

本橋采用雙薄壁實體墩,薄壁墩間距2 m,墩高分別為21、27、24、17 m。主墩、主梁均采用C50混凝土。

2 結構有限元模型的建立

采用橋梁結構分析的專用軟件midas Civil建模,如圖1所示。對全橋進行各施工階段、成橋狀態下恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變、溫度變化、基礎變位等荷載作用下的分析計算。全橋共劃分了194個節點、185個單元,其中橋面為108個節點,劃分了107個單元,橋墩劃分了86個節點、78個單元。其中1～107為主梁單元,108～185為主墩單元。

圖1 各方案成橋階段主梁上緣應力

3 合龍方案對比分析

預應力連續剛構橋在懸臂施工過程中重要的是確定合龍方案,尤其是對于多跨連續剛構橋來說。不同的合龍方案不僅會影響到合龍過程中提供的預拱度以及結構的應力,而且對施工的安全、成本、時間等都有一定的影響。因此在選取合龍方案時,應根據地形、地質、交通、水文、邊(中)跨的比例、結構受力以及穩定性等條件決定[6]。

根據寧句剛構設計圖紙,現擬采用以下七種合攏順序進行分析比較。設計方案如表1所示。

表1 合龍方案

3.1 主梁應力比較

合龍順序會對結構的應力產生影響,在合龍施工階段,計算研究不同合龍順序下主梁上緣應力,結果如圖1所示。

由圖1可知,在合龍階段時,結構在不同合龍順序下的主梁上緣應力變化較小,各種方案下的上緣應力相差較小,且其變化趨勢基本相同。

在成橋階段不同合龍順序下主梁上緣應力差值較小。在各合龍方案比較中,設計方案的主梁上緣的最大應力值最大,為-11.7 MPa;方案二的最大應力值最小。為-10.5 MPa。上緣最大應力設計方案比方案二大14.3%,相差1.2MPa。

在成橋階段時,將幾種合龍順序下主梁底板的應力值進行比較,其結果如圖2所示。

圖2 各方案成橋階段主梁下緣應力

由圖2可知,在成橋階段不同合龍順序下的主梁底板應力變化趨勢相同,且應力值差別不大。在各合龍方案中,主梁下緣方案一的最大壓應力值最小,為-9.01 MPa;方案三的最大壓應力值最大,為-9.87 MPa。下緣最大應力方案三比方案一大9.54%,相差0.86 MPa。

綜上所述,在成橋階段五跨連續剛構橋在不同合龍順序下的主梁上下緣應力變化趨勢相同,且應力值差別較小。因此,合龍順序對連續剛構的主梁上下緣應力的影響較小,可見主梁的應力值主要取決于橋梁自身的結構特性,合龍方案的不同對主梁應力值影響較小。

3.2 主梁豎向位移比較

在成橋階段時,將不同合龍順序下主梁累計豎向位移對比分析,結果如圖3所示。

圖3 各方案成橋階段主梁豎向位移

根據上述各方案累計位移圖3可以看出,在各合龍方案中,方案一上拱值最大為45.86 mm,方案四上拱值最小為19.99 mm,最大撓度值與最小撓度值之差為25.87 mm。方案三下撓值最大為49.13 mm,方案六下撓最小為24.15 mm,最大下撓值與最小下撓值之差為24.98 mm。因此,各合龍方案對主梁成橋階段豎向位移的影響較大。

從主梁線形角度來看,設計方案、方案四、方案六成橋和成橋階段主梁上拱值較小,方案一、二、三、五主梁上拱值較大。而設計方案、方案四、方案六成橋和成橋階段主梁下撓值較小,方案一、二、三、五主梁下撓值較大。

可見,多跨連續剛構橋的合龍順序對主梁豎向位移的影響較大。從線形角度考慮,設計方案、方案四、方案六的變形更加合理。

3.3 主墩墩底應力比較

由于各個橋墩的墩高不同,CY58號墩墩高最小為17 m,CY56號墩墩高最大為27 m,又因在施工過程中結構體系需要經歷多次的轉變,不同施工過程中的結構體系以不同的墩高來承受水平張拉力,導致橋梁墩底的應力不同[7]。

對七種不同施工合龍順序下寧句剛構主墩的受力性能進行比較分析,將不同施工順序下成橋階段主墩墩底截面的應力計算結果列于表2。

表2 墩底截面的最大應力值

由表2可知,合龍順序對主墩受力影響較大,設計合龍方案、方案四CY55～CY58號墩墩底應力較小,各墩應力值相近,變化范圍較小。因此,設計合龍方案、方案四較其他方案更為合理。

3.4 主墩墩頂水平位移比較

由于橋梁的墩高存在著差異,使得墩頂的水平位移也有所不同,在不同的合龍方案下CY55～CY58號墩的墩頂水平位移如表3所示。

表3 墩頂水平位移值

表3數據顯示,七種合龍順序下CY57號墩都將產生較大的水平位移,并且不同合龍順序對墩頂水平位移影響較大。設計合龍方案、方案四的墩頂水平位移較其他方案更小,且CY55～CY58各墩頂水平位移相近,沒有較大的變化,各墩的水平變形相對平均一些。因此,就墩頂水平位移來看,設計合龍方案、方案四更加合理。

3.5 合龍方案對比

通過分析可知,設計合龍方案、方案四相較于其他合龍方案更為合理。

(1)從主梁成橋階段控制截面應力來看,這兩種方案各控制截面的應力相差甚微;從成橋階段主梁位移來看,設計方案主梁上拱值為24.06 mm,最大下撓值為33.15 mm,而方案四最大上拱值為19.99 mm,最大下撓值為33.77 mm,這兩種方案在最大豎向位移值上相差不大,但就線形來看,設計方案線形更加平順。從主梁截面應力、豎向位移值來分析,設計方案較方案四更優。

(2)從主墩墩底應力、墩頂位移考慮,這兩種方案在各墩差值較小,且各墩應力、位移值相近。

(3)從施工上考慮,設計方案降低了施工難度,在經濟成本上更優,保證施工安全性;方案四邊跨中跨同時合龍可以使工期大大地縮短。但該方案所需要的合龍設備較多,成本較高,且要求在施工操作過程中盡可能一致,對施工組織和技術管理要求很高[8]。

這兩種方案各有所長,綜合分析表明:設計方案(邊跨—中跨—次邊跨)的合龍施工順序更優。

4 結 論

以寧句線多跨連續剛構橋為工程依托,分析了合龍方案對主梁和橋墩的應力與位移的影響。根據寧句五跨連續剛構橋工程,提出了七種合龍方案,并開展了相應的應力與變形分析,得到如下結論:

(1)主梁應力值一般不隨合龍順序改變而改變,但合龍順序對主梁成橋階段的豎向位移有顯著影響。且合龍順序對主墩墩底應力值、主墩墩頂位移值有較大的影響。因此在對多跨連續剛構進行施工組織設計時需要對合龍順序進行優化。

(2)寧句剛構設計方案(邊跨—中跨—次邊跨)的合龍方案,滿足實際的合龍條件,且合龍后主梁的線型、應力及主墩應力、位移更為合理。