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施工技术

预应力混凝土连续梁桥合龙顺序对成桥状态的影响研究

日期：2015-3-20 15:25:13　来源：转载　浏览数：
　

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摘要:多孔大跨径连续梁桥的成桥状态受施工方法、合龙顺序、混凝土收缩徐变及环境因素等的影响。本文针对悬臂浇筑施工的二级公路预应力混凝土连续梁桥( 90 + 132 + 90) m，采用Midas /Civil 平面杆系有限元程序对施工过程进行分析，比较了两种不同的合龙顺序对成桥状态的影响，综合对比成桥后应力和位移状态，以最佳受力及均匀性为原则，提出了有利于成桥的施工合龙方案。
关键词:悬臂浇筑预应力混凝土施工顺序杆系有限元收缩徐变
中图分类号: U445． 466 文献标识码: A DOI: 10． 3969 /j． issn． 1003-1995． 2013． 12． 06
文章编号: 1003-1995( 2013) 12-0019-03
预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适等优点在工程中得到越来越多的应用。悬臂浇筑施工具有对桥下交通干扰小、施工速度较快、施工状态受力和成桥状态较为接近等优点，因此在连续梁施工中采用较多。其中，合龙段施工是预应力混凝土连续梁桥施工的重要环节，关系到全桥的受力和线形状况［1-2］。连续梁的最终恒载内力与施工合龙的次序有关，不同的合龙次序，会产生不同的初始恒载内力，并且在体系转换过程中，由混凝土的收缩徐变引起的内力重分布的数值也不同［3-4］。
本文以某三跨预应力混凝土连续梁为例，采用平面杆系有限元方法，模拟了不同的施工合龙顺序，并将不同施工合龙顺序下的结果进行了对比分析，得出对于成桥状态较为有利的施工合龙方案。
1· 工程背景
1. 1 孔径布置
主桥的孔径布置为( 90 + 132 + 90) m，考虑在主桥两头各设10 cm 的伸缩缝，边跨计算跨径均为89. 9 m，中跨计算跨径为132 m。
1. 2 截面尺寸
主梁采用变截面箱形梁，中支点处梁高7. 52 m，梁底按二次抛物线y = － 0. 000 602 7 x2 + 0. 108 01 x变化至跨中的3. 2 m，梁高分别为孔径的1 /17. 1 和1 /41. 25。箱梁采用单箱单室，顶宽18 m，桥面设置双向2% 的横坡，顶板两侧翼板长4 m，翼板端部厚0. 20 m，根部加厚至0. 70 m，顶板厚0. 35 m。底板厚0. 35 ～ 0. 8 m，宽10 m，跨中底板最小厚度为0. 35 m，底板厚度按线性变化至支座处0. 8 m。腹板厚0. 55 ～0. 90 m，箱梁根部腹板厚0. 9 m，中支点两侧8. 8 ～38. 0 m范围内腹板厚度为75 cm，梁端横隔板相接处腹板增厚至0. 75 m，其余均为0. 55 m。中支点横截面如图1所示。

2· 材料参数
2. 1 混凝土
沥青混凝土: 用于桥面铺装，重度γ = 24 kN/m3，全桥桥面铺装厚度10 cm。
C40 混凝土: 用于厚度3 cm 的调平层及墩顶支座垫层，重度γ = 24 kN/m3。C50 混凝土: 用于主桥箱梁，重度γ = 25 kN/m3。
2. 2 钢材
预应力钢筋: 纵向预应力束为s15. 2 mm 低松弛钢绞线，群锚体系，抗拉强度标准值fpk = 1 860 MPa。普通钢筋: 受力筋HＲB400，构造筋Ｒ235。
材料特性值根据《公路桥涵设计通用规范》( JTG D60—2004) ［5］选取。
3· 施工技术及合龙顺序
3. 1 施工概述
采用挂篮悬臂浇筑施工，两侧边跨现浇段和2 个T 构的0 号块立支架浇筑，支架除满足强度要求外，还需要有较大的刚度。边跨现浇段均采用满堂支架，以满足现浇混凝土承载能力的要求。0 号块支架作用于承台上。支架在浇筑混凝土前进行压重试验，施工时采用边浇筑边卸载的方法，以确保施工标高，改善结构内力。挂篮在投入使用前经过压重试验，以检验其强度和刚度，减小挂篮非弹性变形。悬臂浇筑时墩梁临时锚固，墩顶梁底设置临时支座，采用混凝土垫块和硫磺砂浆垫层，撤除时将预埋在硫磺砂浆中的电阻丝通电融化［6］。
3. 2 合龙顺序的确定
悬臂浇筑方法用于多孔大跨连续梁桥的施工，其中合龙是整个悬臂浇筑施工中的重点。合龙是一个体系转换的过程，合龙后结构约束增加，超静定次数增大［7-9］。合龙时的工况，例如，温度、施工荷载、合龙方式以及合龙顺序等直接影响桥梁结构的成桥应力及线形。
在只计入自重和收缩徐变的情况下，本文就两种不同的合龙顺序: ①先边跨合龙后中跨合龙; ②先中跨合龙后边跨合龙，采用平面杆系有限元程序对施工过程进行分析，比较了不同合龙顺序对结构受力的影响，并选用最优的合龙工序。
4· 杆系有限元分析
采用杆系结构有限元法分析桥梁时，首先要构成一个与真实结构等价的计算模型，然后将结构模型划分为有限个杆件单元，单元的划分尽量与箱梁的阶段划分一致。之后再进行节点和单元编号，形成单元刚度矩阵，组集总刚度矩阵，引入边界条件，求解节点平衡方程组，得到未知节点位移，最后计算出各单元的内力。
单元划分和结点编号: 整体坐标系以节点1( 左支点) 所在截面的形心为原点，沿跨径方向为x 轴，z 轴竖直向上。本桥共划分为105 个节点， 104 个单元。
4. 1 成桥状态的应力比较
通过对连续梁两种合龙顺序的分析计算，得出不同施工顺序下成桥阶段截面最大及最小正应力见图2。将依照①先边跨后中跨和②先中跨后边跨两种合龙顺序施工时控制截面的应力计算结果列于表1。

图2 所示截面最大正应力表现了两种不同合龙顺序沿跨径方向受力的变化趋势大体相近，但是在各个控制截面上存在的差别体现了不同的合龙顺序对主梁成桥状态的影响。现进行如下分析比较: 边跨合龙段一定范围内合龙顺序2 的最大正应力比合龙顺序1 小( 边跨1 /4 处小0. 7 MPa，边跨跨中小1. 19 MPa) ，而其它相当范围内合龙顺序2 的正应力均大于合龙顺序1。由此可知按顺序2 合龙，即先合龙中跨后合龙边跨的施工方法，明显使中支点和中跨绝大部分范围内最大正应力增加。相反，合龙顺序2 的最小正应力在边跨较为有利，比合龙顺序1 小0. 42 MPa 和0. 75 MPa;在中支点和中跨一定范围内方案2 也具有相对较小的正应力。总之，按合龙顺序2 合龙使梁段大部分范围内的受力不均匀，变化较大，因此选择合龙顺序1 的合龙方案，即先合龙边跨再合龙中跨。
4. 2 成桥状态的位移比较
控制节点的位移值见表2。

两种合龙顺序产生的边跨跨中附近位移最大，合龙顺序1 的位移值( 30. 155 cm) 较合龙顺序2 的( 28. 796 cm) 稍大些，但是按合龙顺序1 模拟的先边跨后中跨合龙的施工顺序得到的位移曲线变化均匀，不存在较大的突变，相比之下合龙顺序1 的成桥位移具有明显优势。
综合考虑不同施工顺序对结构受力和桥梁线形的影响，以变化均匀为原则，最后设计中选择顺序1 的合龙方案，即先合龙边跨再进行中跨合龙的施工顺序。