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1、不对称跨径连续梁拱组合桥施工配重分析 大跨度连续梁拱组合桥不对称施工时合理配重 方案研究 苏昭1,2，岳迎飞3 （1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州730000；2. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070 3. 中国石油渤海石油装备中成机械制造公司 天津 300280） 摘要: 本文介绍了预应力钢筋混凝土箱梁桥不对称悬臂施工经常采用的方法及其选用原则。以某客运专线上的大跨度连续梁拱组合桥为工程背景,利用有限元软件建立了计算模型,分析了不同的配重方式对主梁应力和线形的影响,得出配重的基本规律。 关键词: 连续梁拱组合桥；配重；不对称施工；有限元分析 Researc
2、h on the Reasonable counterweight Scheme of Large span continuous beam arch combination bridge with asymmetrical construction Su Zhao1,2 ， Yue Ying Fei3 （1. Key Laboratory of Road&Bridge and Underground Engineering of Gansu，Gan Su Lan Zhou730000.2.School of Cicil Engineering Lanzhou Jiaotong Uni
3、versity，Gan Su Lan Zhou 730000;3.China Petroleum Bohai petroleum equipment into a machinery manufacturing company,Tian Jin 300280 .） Abstract: The paper introduces the methods of asymmetric cantilever construction of the prestressed reinforced concrete box girder and the principles of choices.Now ta
4、king a large span continuous beam arch combination bridge which on the certainpassenger special line as an example ,the paper uses the Madas Civil to set the model,analyses the impact according to the different way of balance on the beam's stress and ine shape ,and obtains the basic rules . Keyw
5、ords: Continuous beam arch combination bridge; Balance weight; Asymmetric construction；FEA 中图分类号：U448.23 文献标识码：A 0 引言 预应力混凝土梁桥施工一般采用悬臂施工,它 是以己经完成的墩顶段(通常称“0号块”)为起点, 通过悬吊的挂篮从立模、浇注混凝土、张拉预应力 钢筋、逐段对称的向两侧跨中合龙,形成整桥。预 应力混凝土刚构桥采用悬臂浇注法施工时,其施工 程序大致可分为以下4个步骤: (1)在桥墩处搭设临时支架(或扇形支架),在支架上现浇少数梁段做为拼装挂篮的场地; (2)拼装挂篮,在挂
6、篮上平衡悬臂浇注其余各梁段,逐段推进; (3)边孔靠近岸边梁段,在支架上浇注; (4)合龙边跨、中跨。 不等跨预应力混凝土梁式桥如果仍然采用悬臂浇注施工,开始阶段同常规梁式桥相同,进行各个墩的T构平衡施工,当进行到T构两端不平衡施工的时候,如果不采取相应措施,不平衡力可能会 造成已形成结构的倾覆。因此,不等跨预应力混凝土梁式桥采用悬臂浇注施工时,不平衡力的处理措施将成为该类桥梁能否成功修建的关键。 1 配重的原理及作用 不等跨预应力混凝土梁式桥采用悬臂浇注施工时,由于每个墩的两侧节段块数不等,施工中出现偏载而产生不平衡弯矩。为消除该不平衡弯矩,施工 时一般采用力矩平衡法配重原则来解决的。 设置
7、配重有如下四个主要作用： (1)用压重荷载来平衡另一端偏重,从而来达到 平衡施工,防止施工过程中T构倾覆。 (2)如果预先施加与合龙段混凝土等重量的配 龙段两端就不会因为浇注混凝土而产生相对变位,从而保证了合拢段的浇注质量。在浇注混凝土过程中保持合拢段两端不发生相对变位在合拢段所浇注混凝土的重量作用下,在其浇注过程中会使悬臂端产生一定的下挠和偏转,这将使合拢段下缘尺寸变长,体积增大,有可能使原先浇注的底部局部开裂或松散,影响合拢段混凝土的浇注质量。 (3)调整合拢段两端的标高。由于多种因素影响, 合拢段两端的标高可能与设计预期标高不完全吻合,利用悬臂端部附加配重可以调整悬臂端的标高至期望程度。
8、当然,出于对悬臂施工方面的考虑,附加配重不能过大,不然将会给施工带来很多不利因素。 (4)调整成桥后期混凝土的徐变。基本配重在合拢段浇注混凝土的同时随新浇混凝土数量的增加而同步逐渐卸除,附加配重要等到合拢段混凝土达到规定强度后才能拆除。由于合拢前后结构体系发生了转变,因此附加配重的加载和卸载对桥梁结构影响是不能相互抵消的。人们正是据此道理来运用附加配重调整桥梁内力和后期徐变变形。 通过配重可以解决一部分桥梁不平衡悬臂施工的问题,但是无法解决全部的问题,因为施工中悬臂端空间有限,而且配重材料有限,所以对于不平衡悬臂施工方法根据不平衡重量或者不平衡施工块段的多少分为以下三种。如果偏载块数较少且相应
9、跨度也不是很大时,现阶段采取的平衡措施一般为在另一端压重方法。偏载的块段比较多,或者跨度较大时,则T构受到的偏载弯距会更大,压重荷载也随之会很大,如果仍然一味地采取在另一端压 载的方法,则会出现桥面上没有足够的摆放空间,达不到预先设计压载的情况;另一方面过大的附加配重会增加悬臂结构的内力构成威胁,对施工的安全没有保障。在这种情况下,一般采取先合拢悬臂较小的跨,使体系成为超静定结构,采用相应措施后继续悬臂施工两端。如果偏载的块段更多,以至于采取了上面所述的措施后跨中顶板仍然会出现较大拉应力时,在顶板继续压重已没有操作空间,可通过增加临时预应力以及把中间合拢段浇注成实心的方法进行施工。 除了采用混
10、凝土填实作为压重外,还有采用轻质高强混凝土的方法,来减轻梁段重量,但这样势必增加建造成本。 2 工程实例 2.1 工程概况 该桥梁全长264.3m.主梁采（63.4+136+63.4）m预应力混凝土连续梁与中孔钢管混凝土加劲拱组合结构体系。梁体为单箱双室、变高度、变截面箱形结构，三向预应力体系。中支点处梁高7.5m，跨中20米直线段及边跨6.15米直线段梁高为3.5m，梁底下缘按1.6次抛物线变化，箱梁顶宽14.1 m，底宽12.2m，翼缘板悬臂端长0.95m。钢管拱轴线采用二次抛物线，计算跨径L=136m，计算矢高f=27.2m，矢跨比1/5。拱轴线计算方程Y=-1/170X2+0.8X(坐
11、标原点在桥墩中心梁顶面下1.0m处)。中跨梁面设置两道拱肋，中心间距12.9m。两道拱肋之间共设置1道米字撑、8道K撑，14对吊杆。该桥梁的总体布置图 图1 该桥的总体布置图 2.2 该桥梁的施工配重方案 该连续梁拱组合桥上部结构施工工艺较为复杂，1#、2#墩的0#块及拱座和两侧1#梁段、2#梁段以及边跨15#梁段均采用支架现浇，其余梁段采用挂篮悬臂施工。悬臂施工3（3）#13（13）#梁段，先合龙边跨，悬臂施工14#、15#段，拆除挂篮，解除临时固结，合龙中跨。1#墩的宝鸡侧有15个悬臂段，而西安侧只有13个悬臂段；2#墩的西安侧有15个悬臂段，而宝鸡侧只有13个悬臂段，两侧结构 不对称，故
12、1#、2#墩主梁需要采取不对称施工, 在施工中要进行配重，配重的大小与配重施加的位置等因素有关。配重大小按悬臂端下挠变形值相同进行计算求得。基本配重大小按等效代换合拢段重量引起的悬臂端下挠效应计算得到。 1#、2#墩具体施工配重方案: 1) 1#13#块梁段按T构对称挂篮悬臂施工,由于两侧截面尺寸相同且为同步对称施工，本阶段不需要配重；经边跨合拢后，移动中跨挂篮，依次对称浇筑14、15#梁段混凝土，浇筑15#梁段前在边跨距梁端4.15m处配重1200KN；直到全桥主梁合拢完成时移动边跨配重至边支座中心处，并将配重加大至3000KN；直到拱肋吊杆安装完成后 拆除边跨支座配重。2) 1#13#块梁
13、段按T构对称挂篮悬臂施工,由于两侧截面尺寸相同且为同步对称施工，本阶段不需要配重；经边跨合拢后，移动中跨挂篮，依次对称浇筑14、15#梁段混凝土，浇筑15#梁段前在边支座中心处一次性配重3000KN；直到拱肋吊杆安装完成后拆除边跨支座配重。 2.3 计算模型 2.4.1 墩主梁根部截面应力 由于在悬臂施工过程中桥梁的墩主梁的根部受力最大, 故只分析比较这个关键截面的应力大小。由于1#、2#墩位置对称且相应位置应力状态相 最大应力/MPa 方案一 8.071 9.160 10.117 10.214 11.209 该桥采用桥梁结构计算软件MIDAS进行结构仿真计算。该软件可根据不同施工阶段的受力状
14、态自动考虑各梁段砼的自重、收缩和徐变及预加力、温度变化、支座沉降和墩梁固结释放等因素的影响。在保证计算精度的前提下,采用合理的简化模型,以保证结构计算的速度。该桥在实际计算中采用空 工控制的目的就是使合拢偏差符合规范要求,成桥后主桥线形、结构内力状态符合设计要求,确保施 工中结构的安全。比较两种配重方案中1#、2#墩主梁根部截面内力、配重过程中悬臂端位移增量, 为配重方案优选提供依据。 同，故只研究在各施工状态下的1#墩主梁根部应力情况，数据见表1。 表1 1#墩主梁根部截面应力 施工阶段 CS15:施工15#块 CS16:中跨合拢 CS17:搭设拱架 CS18:拆除拱架 CS19:二期完成
15、最小应力/MPa 方案一 -0.363 -0.549 -0.733 -0.868 -0.608 方案二 -0.360 -0.544 -0.731 -0.862 -0.604 方案二 8.077 9.162 10.121 10.229 11.214 从表1可以看出:主梁根部的关键部位在各个施工阶段下方案一的最大应力均比2.4.2?施工阶段下的线形变化 计算在进行不对称悬臂浇筑时两种不同施工配重方案下施工阶段1#、2# 墩主梁 配重 方案 方案一 方案二 方案一 1 3 5 方案二小、最小应力比方案二大。由此可见,方案一的配重对结构的受力更为有利。 边跨及中跨的节点线形变化，结果见表2和表3。 下
16、列节点的位移增量/mm 7 -8.18 -8.19 11.66 9 -2.64 -2.66 21.17 11 0.87 1.06 25.11 13 1.84 1.93 22.85 15 1.61 1.65 17.08 17 0.52 0.53 10.14 表2 边跨节点位移增量 施工阶段 CS15:施 工15#块 CS16:中 -0.66 2.84 -3.33 -0.70 2.85 -3.35 -1.67 7.47 8.83 跨合拢 CS17:搭 设拱架 CS18:拆 除拱架 CS19:二 期完成 方案二 方案一 方案二 方案一 方案二 方案一 方案二 -1.68 7.48 -1.71 7.6
17、2 -1.71 7.63 -1.75 7.78 -1.75 7.78 -1.50 6.48 -1.50 6.48 8.85 9.22 9.24 9.54 9.56 6.36 6.37 11.68 12.27 12.29 12.64 12.65 8.29 8.31 21.19 21.89 21.90 22.16 22.17 18.11 18.13 25.12 25.81 25.83 25.93 25.94 23.06 23.07 22.85 23.45 23.46 23.43 23.43 21.97 21.98 17.08 17.52 17.53 17.41 17.41 17.00 17.01
18、10.14 10.41 10.41 10.25 10.25 10.30 10.30 表3 中跨节点位移增量 施工阶段 CS15:施 工15#块 CS16:中 跨合拢 CS17:搭 设拱架 CS18:拆 除拱架 CS19:二 期完成 配重 方案 方案一 方案二 方案一 方案二 方案一 方案二 方案一 方案二 方案一 方案二 24 -3.08 -3.08 28 30 下列节点的位移增量/mm 34 36 40 -63.32 -63.32 -90.49 -90.50 -92.45 -92.46 -84.39 -84.40 42 -42.91 -42.91 -69.42 -69.43 -71.47 -
19、71.48 -62.98 -62.99 44 0.00 0.00 -26.35 -26.36 -28.42 -28.43 -19.85 -19.85 -43.44 -43.45 -12.56 -22.93 -44.66 -54.87 -12.56 -22.93 -44.66 -54.87 -21.04 -37.66 -50.44 -73.47 -83.34 -21.04 -37.67 -50.45 -73.48 -83.35 -21.63 -38.64 -51.64 -75.01 -85.06 -21.63 -38.64 -51.65 -75.02 -85.07 -20.30 -35.88 -
20、47.83 -69.34 -78.34 -20.31 -35.88 -47.84 -69.35 -78.34 -23.29 -42.64 -57.40 -84.10 -96.15 -106.34 -86.28 -23.30 -42.64 -57.41 -84.10 -96.16 -106.34 -86.29 从表2、表3可以看出:在CS15CS25施工阶段,两种配重方案节点位移增量基本相2.5 主梁成桥后的线形 采用两种配重方案时,成桥后全桥主梁线形如图3所示。从图3可以看出:两种配重 同；但是采用方案一时边跨及中跨的节点位移增量均比方案一略小且变化相对均匀。 方案下主梁挠度相差不大；但采取方
21、案一时的主梁挠度值比方案二小且变化更均匀。 图3 成桥后全桥主梁挠度 2.6 主梁成桥后的弯矩 采用两种配重方案,成桥后全桥主梁弯矩计算结果见图4。从图4可以看出:两种配重方案下,成桥后主梁弯矩差距比较大； 方案一的大部分弯矩比方案一小,并且变化更均匀、无突变,对结构的受力更加有利。 图4 成桥后全桥主梁弯矩 3 结语 从该文的计算结果可以看出,在两种方案的比较下无论是从施工阶段的内力大小和节点位移, 还是从成桥后的整个主梁线形及弯矩来看,方案一均优于方案二。因此, 综合考虑, 在实际施工中建议采用第一种配重方案。现实中,受各种条件限制, 桥梁施工中不对称施工方案会经常存在, 必然涉及到不对称
22、悬浇配重的问题。合适的配重方案对施工过程中及成桥后桥梁的线形变化和内力状态均有利。从该文的实例分析来 参考文献: 1 范立础. 桥梁工程 M . 北京: 人民交通出版社, 2000. 2 杨正文, 肖泽林, 宋琳午. 永顺县不二门大桥缆吊施工方案 J . 湖南交通科技, 2006( 6) . 3 周伟. 不对称跨径连续刚构桥静力仿真计算及地震反应分析 D . 长沙: 长沙理工大学, 看,对于不对称跨径的悬臂施工, 当总配重 一次加在边跨支座中心处时，由于充分利用了力臂的长度,即保证了边跨支座不会出现拉力的情况也不会造成结构倾覆的现象;但是当配重顺序从边跨合拢处向边支座中心处分阶段加载时，桥梁的内力状态及线形变化均更有利。故建议在不对称跨径施工配重中采取从边跨合拢处向边支座中心处分阶段加载的顺序。 2007. 4高 健挂篮在大跨桥合拢中作为配重的施工工艺介绍J中国水运，2007(6).