简述多跨预应力混凝土连续梁桥的施工设计分析

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　　摘要：本文结合某大桥进行施工过程的数值模拟分析，计算出用于惠城区陈江五一桥施工的预拱度值，指导该桥的施工线形控制。长联大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工线形控制的关键是确定预拱度值，文中对此提出了需要考虑的有关因素和计算方法，对同类桥梁的施工有一定的指导意义。
　　关键词：多跨；连续梁；施工过程结构分析；预拱度
　　主桥为48+7×80+48m预应力混凝土变截面连续梁。箱梁端支座处及边跨直线段和跨中处梁高为3.8m，中支点处梁高6.6m，箱梁横截面为单箱单室直腹板，顶板厚0.35m，腹板厚分别为：0.45m、0.65m、0.85m，底板厚由跨中的0.42m变化至中支点梁根部的0.758m。中支点处加厚到1.3m（图1）。梁高按圆曲线变化，圆曲线半径R=252.516m（图2）。施工流程是:移挂篮→立模→扎钢筋→浇筑混凝土→张拉各种预应力束→移挂篮，循环以上步骤，直至合龙。合龙顺序是先两两合拢形成∏型结构，再由中间向两边依次合拢，最后合拢边跨。
　　
　　图1 箱梁横断面图
　　图2 箱梁立面构造图
　　1预拱度、立模标高等基本概念
　　预拱度值是在悬臂浇筑梁段预设的、用于抵消施工过程中梁体挠度的预设值，是桥梁线形控制过程中的主要依据，其中主要包括混凝土浇筑、预应力筋的张拉所产生的挠度，二期恒载挠度，还要考虑预应力损失、收缩徐变和温度的影响。立模标高是考虑了以上各项挠度值和影响因素后，对设计标高进行修正作为施工放样的标高[1]~[2]。其中预拱度设置的正确与否，将直接影响到最终桥梁线形是否能够达到理想设计线形。
　　在实际应用中，当前第 段待浇筑主梁的立模标高应当按照下式计算[3]：
　　（1）
　　式中 ――第 段待浇主梁的底模板前端的立模标高
　　 ――第 段待浇主梁的底模板前端的成桥设计标高
　　 ――本阶段及后续所有施工阶段对第 梁段前端产生的挠度累计值，即施工预拱度
　　 ――由于挂篮变形产生的底模板前端的挠度值
　　 ――成桥 年后由收缩徐变和车辆运营所产生的挠度，即运营预拱度。
　　按照此方法确定立模标高时，注意比较前一梁段预应力张拉之后的变形与设计值是否相符。如果差别小，即可按此方法确定立模标高，若差别较大时，适当的调整立模标高，防止桥梁线形突变。
　　2施工过程结构分析
　　2．1结构分析单元划分
　　结构分析单元基本上是按照悬臂施工梁段的分段方式进行划分的,同时尽量在截面变化处增设节点以提高计算精度。本桥共划分为267个节点，266个单元,编号从左到右依次增加。具体划分见图3 (仅标出墩顶处节点编号)。
　　 图3 单元划分图
　　2．2施工阶段划分
　　按照预应力多跨连续梁桥悬臂施工的特点,在结构计算时,将全部施工过程划分为61个阶段，其中1~2为墩顶0号块施工阶段，3~35为悬臂浇筑阶段，36~61为合龙段施工、体系转换、二期恒载及1500天收缩徐变作用阶段。以第1号块的悬臂浇筑为例，为了真实地反映其悬臂施工和考虑时间对变形的影响，将施工划分为：①挂篮移动就位；②浇筑1号块混凝土及养护6天，在总体结构计算中加入1号块,计算其重量对已完成结构产生的变形和内力；③张拉该阶段预应力束。通过尽可能多地划分施工阶段，可以更加真实地模拟施工过程。
　　2．3基本参数和荷载取值
　　在桥梁结构施工过程分析中,基本参数取值的真实程度是计算结果是否可靠的关键因素。这些基本参数的取值基本是按照《桥涵设计规范》和相关的设计手册中的推荐值选用的[4]。如果施工过程中发现这些参数与施工监测结果有较大出入,应调整后重新计算，以确定是否需要对全桥预抛高的设置作相应调整。以下是在结构计算中用到的基本参数和荷载取值。
　　(1)梁部混凝土采用C55，弹性模量：3.5×104MPa。
　　(2)预应力钢绞线弹性模量：1.95×105MPa。松弛系数0.04。管道摩擦系数u取0.23，局部偏差系数k取0.0025。锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值(一端)取6mm。
　　(3)悬臂节段加载龄期为6d。根据老化理论计算混凝土的收缩徐变，各系数取值为：徐变系数终极极值：2，徐变增长速率：0.0055，收缩速度系数：0.00625，收缩终极系数：0.00016，环境湿度取70%。
　　(4)梁段的自重按均布荷载计算，注意应计入齿板的重量。挂篮重量按集中荷载计入，工作状态的前支点力80t (方向↓)，作用点在悬臂端向内0.5m，后支点锚固力20t (方向↑)，作用点在前支点后面4.5m。二期恒载按线性均布荷载形式布置，包括钢轨、枕木、道碴、防水层、保护层、人行道遮板、栏杆等附属工程。
　　3计算结果
　　五一大桥施工过程结构计算采用的是桥梁博士软件，该软件能进行各种结构体系的恒载与活载的线性与非线性结构响应计算，能够实现复杂的截面施工操作，能够有效地模拟施工中使用的临时支架和挂篮设备。经计算，本桥结构变形的基本规律是：
　　(1)箱梁的挠度在悬臂施工阶段的值较小，11号块最大悬臂状态时累计挠度是0.8cm，挠度主要发生在浇筑合拢段、体系转换和张拉合拢束的施工阶段。
　　(2)在第一阶段合拢，即两个T构合拢形成∏型结构的过程中产生较大变形，在浇筑合拢段混凝土后拆除临时支撑，使跨中梁段下挠，而自由悬臂端上拱，随后，在张拉合拢段的预应力束时产生的变形最大，使跨中梁段上拱，而自由悬臂端下挠。现以5号墩和6号墩合拢形成∏型结构的过程为例，将浇筑合拢段混凝土、拆除临时支撑和张拉合拢束三个阶段的变形列出，见图4。
　　
　　图4 浇筑合拢段、拆临时支撑和张拉合拢束的变形图
　　(3)二期恒载加载时,此时主梁已成连续梁体系，故产生的挠度较小。
　　4预拱度值的确定
　　预拱度即为施工预拱度 和运营预拱度 之和，现取5号墩和6号墩（即第二跨）的计算结果进行研究。程序计算出来的预拱度值一般不能直接应用于施工现场，尚应根据桥梁施工和设计线形的特点作适当处理。
　　(1)施工预拱度按照悬臂阶段和体系转换阶段分别考虑，结合国内一些桥梁的施工设计经验，悬臂阶段梁体因节段混凝土自重、悬臂束张拉、移动或拆除挂篮所产生的挠度与设计计算值接近，而合龙张拉产生的弹性拱度实测值较设计计算值偏小。程序直接计算值和考虑了折减之后的推荐值的比较情况可见图5
　　
　　图5 施工预拱度的计算值和推荐值曲线比较
　　(2)对于边跨段，计算预抛高为负值,即向下设反拱。对此种情况,一般处理方法是不设预拱度。
　　这样，综合考虑了以上各项因素，现场施工放样用的立模标高就可以按照公式（1）关于预拱度、挂篮变形值、立模标高的关系进行计算。
　　5结论
　　(1)五一桥箱梁的挠度在悬臂施工阶段的数值较小，挠度主要发生在合拢和体系转换施工阶段。悬臂施工一旦完成，在合拢和体系转换阶段再要对产生的线形偏差进行调整将变得较困难。这样，使成桥线形控制的重点放在施工前预拱度的计算工作上。
　　(2)施工过程结构分析时,施工阶段应尽量详细划分，真正实现对施工全过程的数值模拟。如挂篮移动、梁体自身参与变形、合龙时临时配重的增减、临时固结的解除、现浇段单向受压支架的增加和拆除等，甚至施工中可以预见的停工，都应如实在各个施工过程中体现。
　　(3)由计算机程序计算的结果仍需经过整理，并根据工程实践经验对计算结果做出判断，提出适合于该桥的预抛高值,进而确定指导现场施工放样的梁段的立模标高。
　　参考文献
　　[1] 向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001:88-103.
　　[2] 王武勤.大跨度桥梁施工技术[M].北京:人民交通出版社,2007:222-254.
　　[3] 李国平．预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2000.38-40．
　　[4] 刘效尧,等.公路桥涵设计手册(梁桥)下册[M].北京:人民交通出版社,2000.
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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