公路連續梁邊跨直線段施工數值模擬研究

劉 靜

山東通達路橋規劃設計有限公司,山東 煙臺 264000

0 引言

連續梁邊跨直線段施工是橋梁工程中的一個重要環節,主要用于大跨度橋梁的施工。這類施工方法的主要特點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]分析了在地質條件復雜或高墩等特殊環境下,托架法用于連續梁邊跨直線段的施工優缺點。陳偉[3]根據現澆連續梁的施工節段劃分及澆筑順序來優化支架設計,加強了混凝土的質量控制。陳讓利[4]在邊跨現澆段采用預應力混凝土單箱室結構,結果表明能夠提升施工效率。莫春峰[5]分析了連續梁施工的結構特點,提出了邊跨直線段施工的質量控制要點。

山東省某連續梁邊跨直線段有橋底距原地面高度大、下部地質條件復雜等特點,為保證邊跨直線段施工的安全與質量,本文分析了邊跨直線段的工程特點,通過有限元軟件計算結合施工線形監測,得到了支架結構的受力的薄弱環節,獲得了施工過程中的線形偏差規律,保證了邊跨直線段施工的實體質量和安全,為類似橋梁工程施工提供了參考。

1 工程概況

山東省某連續梁邊跨直線段采用支架現澆法施工,主梁梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁,中支點截面中心線處梁高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。

邊跨直線段臨時鋼管柱支架下部采用C30混凝土基礎,使用?630 mm×10 mm鋼管柱傳遞上部結構荷載,下部每排設置4根,共分2排進行布置,相鄰的鋼管柱間采用型鋼相連,并與橋梁墩身處的預埋件焊接加固,以保證鋼管柱的穩定性。上部托架結構中使用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模支撐結構,模板下方為支撐方木,最內側為2 cm厚的木模板。施工完成后調高砂箱進行落梁拆模作業。在連續梁的邊跨直線段施工作業中,使用全站儀監測各節段的水平偏差和垂直偏差,以保證連續梁邊跨直線段的線形質量。

2 支架結構計算

使用有限元軟件對邊跨直線段支架結構進行分析,進而確定臨時支架結構的受力分布特點、強度、剛度及穩定性。將邊跨直線段上部荷載轉化為線荷載作用于支架結構上,在分析過程中采用極限荷載分析法進行計算,計算過程中取1.4作為恒定荷載系數,取1.2作為活動荷載系數。其中混凝土重度取26 kN/m3;混凝土振搗作用1.9 kN/m2;外側鋼模板自重取4 kN/m2,內模模板自重取2 kN/m2;施工設備自重荷載取2.5 kN/m2;混凝土加載作用取2 kN/m2,分別對縱梁、墊梁、側模、鋼管柱、地基承載力等部位進行計算校核。

縱梁彎曲應力云圖如圖1所示,根據圖1所示計算結果,在三維模型中墊梁兩端彎曲應力很小,在縱梁中部位置出現較大彎曲應力分布,彎曲應力最大值大致出現在1/4位置處,值為161.2 MPa,小于允許值205 MPa,各根縱梁彎曲應力分布基本處于同一水平。同時,縱梁中的最大剪應力為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,根據上述計算結果,縱梁的強度、剛度及穩定性能夠滿足設計及規范要求。

圖1 縱梁彎曲應力云圖

墊梁彎曲應力云圖如圖2所示,根據圖2所示計算結果,在三維模型中墊梁上的彎曲應力基本呈現軸對稱分布,最大彎曲應力也出現在墊梁全長1/4位置處,最大彎曲應力為152.1 MPa,小于允許值205 MPa,各根墊梁彎曲應力分布基本處于同一水平。同時,墊梁計算結果中最大剪應力為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,分析上述計算結果墊梁的強度、剛度及穩定性能夠滿足設計及規范要求。

圖2 墊梁彎曲應力云圖

側模彎曲應力云圖如圖3所示,根據計算結果可發現,側模處的彎曲應力最大值明顯高于縱梁與墊梁處的彎曲應力,側模處的最大彎曲應力為131.5 MPa,小于允許值205 MPa,大致位于縱向3/5位置處,此處彎曲應力形狀大致呈較突出的尖角形,側模兩端的彎曲應力值較小;同時,側模處最大剪應力為54.4 MPa,小于允許值125 MPa,最大位移形變為2.1 mm,小于允許值8 mm,可以滿足規范及設計使用要求。

圖3 側模彎曲應力云圖

鋼管柱彎曲應力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;φ為分析系數。

計算得彎曲應力σ為54.2 MPa,小于允許值205 MPa。

根據計算結果鋼管柱最大反力Rmax為813.1 kN,按照受壓關系式計算,混凝土抗壓強度值fcu為13.80 N/mm2。

地基反力σc為:

此處地基承載力為300 kPa。

根據上述計算結果,邊跨制式鋼管立柱是穩定的,能夠滿足設計及使用要求。

3 線形監測分析

連續梁邊跨直線段施工線形監測是控制橋梁外觀質量和實體質量的有效方法,為了確保施工過程中現澆懸臂的穩定,以及橋梁成橋后線形及受力符合通車標準,必須在施工各個環節進行測量監控和調整。線形控制質量直接影響連續梁合龍精度及受力體系轉換的成功與否,是確保梁體施工質量和安全的關鍵因素。線形監測過程中,邊跨直線段頂面與設計高差不得大于-5、+15 mm,中線水平偏差不大于15 mm。在現場施工過程中監測數據會出現一定程度的偏差起伏,需要及時分析原因進行技術措施調整,以保證連續梁邊跨直線段的線形質量。每個斷面布置5處觀測標,以橋段中線為對稱軸進行安設,每處觀測點距離節段前端面20 cm。

中線水平監測偏差統計如圖4所示,根據統計結果可以發現,偏差基本在+15 mm以內,說明現場施工隊伍的作業習慣容易導致橋體左偏,并在施工過程中逐步糾偏,基本保證了連續梁邊跨直線段的線形控制。此類橋梁施工過程中應注意糾正調整施工隊伍的作業習慣,并及時觀測水平偏差變化趨勢。

圖4 中線監測偏差統計圖

高程監測偏差統計圖如圖5所示,根據圖5所示統計結果可以發現,各觀測點的高程偏差均位于-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調整施工工藝及作業習慣。

圖5 高程監測偏差統計圖

4 技術控制措施

在施工過程中應注意撓度的影響,立模板前應根據預壓數據調整標高,保證梁體線形符合設計要求。箱梁現澆段截面變化大,內部構造鋼筋復雜,波紋管彎曲角度大且集中,鋼筋安裝與管道相抵觸時,只能適當調整鋼筋位置,不得切斷鋼筋。為保證鋼筋保護層的厚度,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,先中心部分再兩端端頭部分。底板澆注完以后,開始澆注腹板兩側及橫隔板,在澆注過程中要嚴格對稱水平分層澆注,層厚為30 cm?；炷翝沧⑦^程中,安排專人對支架之間的連接部位進行檢查,一旦出現異常應立即停止澆注并分析原因。應注意的是,現澆段混凝土澆注時間不宜過早或過晚,一般現澆段混凝土應早于T構最后一個懸澆段施工,但混凝土齡期相差不宜超過20 d。

橋體混凝土強度達到3.0 MPa且其表面及棱角不因拆模而受損時,梁體表面與環境溫差小于20 ℃時,將端頭模板拆除并對端頭混凝土面進行人工鑿毛處理,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,并灑適量水進行濕潤,防止混凝土接合面出現干縮裂縫。

5 結論

文章以山東省某公路工程連續梁工程為研究案例,通過有限元軟件計算并結合施工線形監測,主要得出以下結論。①墊梁兩端彎曲應力很小,在縱梁中部位置出現較大彎曲應力分布,彎曲應力最大值大致出現在1/4位置處,為161.2 MPa;在應力較大的位置在托架焊接過程中,嚴格控制邊深度、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,防止出現累計損傷及開裂。②在數值模擬計算結果中,彎曲應力基本呈現軸對稱分布,最大彎曲應力也出現在墊梁全長1/4位置處,為152.1 MPa,墊梁計算結果中最大剪應力為51.0 MPa,各根墊梁彎曲應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置支承加勁肋,并采取有效措施進行定位和固定,防止其水平移動。③根據線形監測結果,中線水平監測偏差基本在+15 mm以內,各觀測點的高程偏差均位于-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值誤差較大,需要在施工過程中監測不小于2次/d,發現問題及時糾正作業習慣,以控制梁體線形偏差。