公路連續(xù)梁邊跨直線段施工數(shù)值模擬研究

劉 靜

山東通達(dá)路橋規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,山東 煙臺(tái) 264000

0 引言

連續(xù)梁邊跨直線段施工是橋梁工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),主要用于大跨度橋梁的施工。這類施工方法的主要特點(diǎn)是在橋梁的主跨部分采用懸臂施工,在大跨度橋梁施工中有懸臂施工的難度大、成本高[1]。梁超 等[2]分析了在地質(zhì)條件復(fù)雜或高墩等特殊環(huán)境下,托架法用于連續(xù)梁邊跨直線段的施工優(yōu)缺點(diǎn)。陳偉[3]根據(jù)現(xiàn)澆連續(xù)梁的施工節(jié)段劃分及澆筑順序來優(yōu)化支架設(shè)計(jì),加強(qiáng)了混凝土的質(zhì)量控制。陳讓利[4]在邊跨現(xiàn)澆段采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱室結(jié)構(gòu),結(jié)果表明能夠提升施工效率。莫春峰[5]分析了連續(xù)梁施工的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了邊跨直線段施工的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

山東省某連續(xù)梁邊跨直線段有橋底距原地面高度大、下部地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn),為保證邊跨直線段施工的安全與質(zhì)量,本文分析了邊跨直線段的工程特點(diǎn),通過有限元軟件計(jì)算結(jié)合施工線形監(jiān)測,得到了支架結(jié)構(gòu)的受力的薄弱環(huán)節(jié),獲得了施工過程中的線形偏差規(guī)律,保證了邊跨直線段施工的實(shí)體質(zhì)量和安全,為類似橋梁工程施工提供了參考。

1 工程概況

山東省某連續(xù)梁邊跨直線段采用支架現(xiàn)澆法施工,主梁梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁,中支點(diǎn)截面中心線處梁高4.05 m,跨中處12 m直線段及邊跨16.65 m直線段截面中心線處梁高3.15 m,梁底下緣按二次拋物線規(guī)律變化。邊支座中心線至梁端0.62 m,梁縫分界線至梁端0.12 m。邊支座橫橋向中心距5.50 m,中支座橫橋向中心距5.50 m。

邊跨直線段臨時(shí)鋼管柱支架下部采用C30混凝土基礎(chǔ),使用?630 mm×10 mm鋼管柱傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載,下部每排設(shè)置4根,共分2排進(jìn)行布置,相鄰的鋼管柱間采用型鋼相連,并與橋梁墩身處的預(yù)埋件焊接加固,以保證鋼管柱的穩(wěn)定性。上部托架結(jié)構(gòu)中使用I28b工字鋼作為縱梁,共布置12排,墊梁使用I28b型鋼雙拼焊組成。雙排I32a型鋼作為邊跨直線段的側(cè)模支撐結(jié)構(gòu),模板下方為支撐方木,最內(nèi)側(cè)為2 cm厚的木模板。施工完成后調(diào)高砂箱進(jìn)行落梁拆模作業(yè)。在連續(xù)梁的邊跨直線段施工作業(yè)中,使用全站儀監(jiān)測各節(jié)段的水平偏差和垂直偏差,以保證連續(xù)梁邊跨直線段的線形質(zhì)量。

2 支架結(jié)構(gòu)計(jì)算

使用有限元軟件對邊跨直線段支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,進(jìn)而確定臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)的受力分布特點(diǎn)、強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。將邊跨直線段上部荷載轉(zhuǎn)化為線荷載作用于支架結(jié)構(gòu)上,在分析過程中采用極限荷載分析法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程中取1.4作為恒定荷載系數(shù),取1.2作為活動(dòng)荷載系數(shù)。其中混凝土重度取26 kN/m3;混凝土振搗作用1.9 kN/m2;外側(cè)鋼模板自重取4 kN/m2,內(nèi)模模板自重取2 kN/m2;施工設(shè)備自重荷載取2.5 kN/m2;混凝土加載作用取2 kN/m2,分別對縱梁、墊梁、側(cè)模、鋼管柱、地基承載力等部位進(jìn)行計(jì)算校核。

縱梁彎曲應(yīng)力云圖如圖1所示,根據(jù)圖1所示計(jì)算結(jié)果,在三維模型中墊梁兩端彎曲應(yīng)力很小,在縱梁中部位置出現(xiàn)較大彎曲應(yīng)力分布,彎曲應(yīng)力最大值大致出現(xiàn)在1/4位置處,值為161.2 MPa,小于允許值205 MPa,各根縱梁彎曲應(yīng)力分布基本處于同一水平。同時(shí),縱梁中的最大剪應(yīng)力為44.1 MPa,小于允許值115 MPa,最大位移為6.3 mm,小于允許值10 mm,根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,縱梁的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖1 縱梁彎曲應(yīng)力云圖

墊梁彎曲應(yīng)力云圖如圖2所示,根據(jù)圖2所示計(jì)算結(jié)果,在三維模型中墊梁上的彎曲應(yīng)力基本呈現(xiàn)軸對稱分布,最大彎曲應(yīng)力也出現(xiàn)在墊梁全長1/4位置處,最大彎曲應(yīng)力為152.1 MPa,小于允許值205 MPa,各根墊梁彎曲應(yīng)力分布基本處于同一水平。同時(shí),墊梁計(jì)算結(jié)果中最大剪應(yīng)力為51.0 MPa,小于允許值115 MPa,最大變形為3.2 mm,小于允許值7.0 mm,分析上述計(jì)算結(jié)果墊梁的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖2 墊梁彎曲應(yīng)力云圖

側(cè)模彎曲應(yīng)力云圖如圖3所示,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn),側(cè)模處的彎曲應(yīng)力最大值明顯高于縱梁與墊梁處的彎曲應(yīng)力,側(cè)模處的最大彎曲應(yīng)力為131.5 MPa,小于允許值205 MPa,大致位于縱向3/5位置處,此處彎曲應(yīng)力形狀大致呈較突出的尖角形,側(cè)模兩端的彎曲應(yīng)力值較小;同時(shí),側(cè)模處最大剪應(yīng)力為54.4 MPa,小于允許值125 MPa,最大位移形變?yōu)?.1 mm,小于允許值8 mm,可以滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)使用要求。

圖3 側(cè)模彎曲應(yīng)力云圖

鋼管柱彎曲應(yīng)力σ為:

(1)

式中:N為軸力;A為鋼管柱截面積;Mp為鋼管柱底部彎矩;W為截面系數(shù);φ為分析系數(shù)。

計(jì)算得彎曲應(yīng)力σ為54.2 MPa,小于允許值205 MPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果鋼管柱最大反力Rmax為813.1 kN,按照受壓關(guān)系式計(jì)算,混凝土抗壓強(qiáng)度值fcu為13.80 N/mm2。

地基反力σc為:

此處地基承載力為300 kPa。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,邊跨制式鋼管立柱是穩(wěn)定的,能夠滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

3 線形監(jiān)測分析

連續(xù)梁邊跨直線段施工線形監(jiān)測是控制橋梁外觀質(zhì)量和實(shí)體質(zhì)量的有效方法,為了確保施工過程中現(xiàn)澆懸臂的穩(wěn)定,以及橋梁成橋后線形及受力符合通車標(biāo)準(zhǔn),必須在施工各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行測量監(jiān)控和調(diào)整。線形控制質(zhì)量直接影響連續(xù)梁合龍精度及受力體系轉(zhuǎn)換的成功與否,是確保梁體施工質(zhì)量和安全的關(guān)鍵因素。線形監(jiān)測過程中,邊跨直線段頂面與設(shè)計(jì)高差不得大于-5、+15 mm,中線水平偏差不大于15 mm。在現(xiàn)場施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差起伏,需要及時(shí)分析原因進(jìn)行技術(shù)措施調(diào)整,以保證連續(xù)梁邊跨直線段的線形質(zhì)量。每個(gè)斷面布置5處觀測標(biāo),以橋段中線為對稱軸進(jìn)行安設(shè),每處觀測點(diǎn)距離節(jié)段前端面20 cm。

中線水平監(jiān)測偏差統(tǒng)計(jì)如圖4所示,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),偏差基本在+15 mm以內(nèi),說明現(xiàn)場施工隊(duì)伍的作業(yè)習(xí)慣容易導(dǎo)致橋體左偏,并在施工過程中逐步糾偏,基本保證了連續(xù)梁邊跨直線段的線形控制。此類橋梁施工過程中應(yīng)注意糾正調(diào)整施工隊(duì)伍的作業(yè)習(xí)慣,并及時(shí)觀測水平偏差變化趨勢。

圖4 中線監(jiān)測偏差統(tǒng)計(jì)圖

高程監(jiān)測偏差統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示,根據(jù)圖5所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),各觀測點(diǎn)的高程偏差均位于-5～+15 mm,其中以正值為主,最大偏差接近15 mm,在邊跨直線段中部位置負(fù)值誤差較大,接近臨界值,需要引起足夠注意,在施工過程中需要注意及時(shí)調(diào)整施工工藝及作業(yè)習(xí)慣。

圖5 高程監(jiān)測偏差統(tǒng)計(jì)圖

4 技術(shù)控制措施

在施工過程中應(yīng)注意撓度的影響,立模板前應(yīng)根據(jù)預(yù)壓數(shù)據(jù)調(diào)整標(biāo)高,保證梁體線形符合設(shè)計(jì)要求。箱梁現(xiàn)澆段截面變化大,內(nèi)部構(gòu)造鋼筋復(fù)雜,波紋管彎曲角度大且集中,鋼筋安裝與管道相抵觸時(shí),只能適當(dāng)調(diào)整鋼筋位置,不得切斷鋼筋。為保證鋼筋保護(hù)層的厚度,鋼筋與模板之間布置墊塊,墊塊采用梅花形布置。

邊跨現(xiàn)澆段采用拌合站集中拌和、混凝土輸送泵泵送混凝土施工的方法,梁體澆注順序:混凝土施工從底板中間位置直接澆注,并對稱地向腹板推進(jìn),先中心部分再兩端端頭部分。底板澆注完以后,開始澆注腹板兩側(cè)及橫隔板,在澆注過程中要嚴(yán)格對稱水平分層澆注,層厚為30 cm。混凝土澆注過程中,安排專人對支架之間的連接部位進(jìn)行檢查,一旦出現(xiàn)異常應(yīng)立即停止?jié)沧⒉⒎治鲈颉?yīng)注意的是,現(xiàn)澆段混凝土澆注時(shí)間不宜過早或過晚,一般現(xiàn)澆段混凝土應(yīng)早于T構(gòu)最后一個(gè)懸澆段施工,但混凝土齡期相差不宜超過20 d。

橋體混凝土強(qiáng)度達(dá)到3.0 MPa且其表面及棱角不因拆模而受損時(shí),梁體表面與環(huán)境溫差小于20 ℃時(shí),將端頭模板拆除并對端頭混凝土面進(jìn)行人工鑿毛處理,鑿除浮漿和浮碴至新鮮面。在下次混凝土澆注前,將表面清理干凈,并灑適量水進(jìn)行濕潤,防止混凝土接合面出現(xiàn)干縮裂縫。

5 結(jié)論

文章以山東省某公路工程連續(xù)梁工程為研究案例,通過有限元軟件計(jì)算并結(jié)合施工線形監(jiān)測,主要得出以下結(jié)論。①墊梁兩端彎曲應(yīng)力很小,在縱梁中部位置出現(xiàn)較大彎曲應(yīng)力分布,彎曲應(yīng)力最大值大致出現(xiàn)在1/4位置處,為161.2 MPa;在應(yīng)力較大的位置在托架焊接過程中,嚴(yán)格控制邊深度、氣孔、夾渣等缺陷允許值及接頭尺寸的允許偏差,并定期安排專人檢查,防止出現(xiàn)累計(jì)損傷及開裂。②在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中,彎曲應(yīng)力基本呈現(xiàn)軸對稱分布,最大彎曲應(yīng)力也出現(xiàn)在墊梁全長1/4位置處,為152.1 MPa,墊梁計(jì)算結(jié)果中最大剪應(yīng)力為51.0 MPa,各根墊梁彎曲應(yīng)力分布基本處于同一水平;在與墊梁接觸的工字鋼縱梁位置設(shè)置支承加勁肋,并采取有效措施進(jìn)行定位和固定,防止其水平移動(dòng)。③根據(jù)線形監(jiān)測結(jié)果,中線水平監(jiān)測偏差基本在+15 mm以內(nèi),各觀測點(diǎn)的高程偏差均位于-5～+15 mm范圍,其中以正值為主,最大偏差接近15 mm,在邊跨直線段中部位置負(fù)值誤差較大,需要在施工過程中監(jiān)測不小于2次/d,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正作業(yè)習(xí)慣,以控制梁體線形偏差。