王学华
【摘 要】对同一座桥梁建立了2个不同合龙顺序的模型,从施工方案、累计位移和成桥应力3个方面,对合龙顺序对连续梁桥的影响进行了研究,探讨了不同合龙顺序连续梁桥温度内力的计算方法和有限元建模方法,分析了不同合龙顺序下刚性支撑的受力差别;并研究了合龙顺序对线形控制难度和成桥应力的影响.结果表明,先合龙边跨后合龙中跨方案对刚性支撑的要求较低,可以降低线形控制的难度,且2种合龙方案均能满足运营阶段的要求.建议对于3跨连续梁,在现场条件允许的情况下,先合龙边跨后合龙中跨.
【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2014(058)007 【总页数】4页(P72-75)
【关键词】连续梁桥;合龙顺序;温度内力;悬臂施工法 【作 者】王学华
【作者单位】中铁八局集团第二工程有限公司,成都610081 【正文语种】中 文
【中图分类】U238;U448.21+5
对于悬臂施工的3跨连续梁桥,其合龙方式有2种方案。(1)方案一:合龙边跨→张拉边跨部分或全部预应力钢束→拆除临时支座→合龙中跨→张拉剩余预应力钢束;(2)方案二:合龙中跨→张拉中跨部分或全部预应力钢束→拆除临时支座→合龙边跨→
张拉剩余预应力钢束。采用不同合龙顺序的桥梁结构相应的施工方案也不同,在进行施工方案编制时需根据不同的施工顺序进行。现阶段针对桥梁施工方案方面的研究较多,但针对桥梁的合龙顺序对结构受力及施工过程中的预拱度的影响的分析较少,以某高速铁路(48+ 80+48)m连续梁桥为工程背景,针对合龙顺序对该桥的施工方案、线形控制及温度变化对临时支座及桥墩的影响进行了分析,根据分析结果给出了相应的建议。
刚性支撑在悬臂施工连续梁的合龙阶段起着重要的作用[1],对结构的安全性和保证合龙段混凝土不受力等方面有着很大作用,刚性支撑主要承担合龙阶段的新浇筑混凝土的重力和温度变化对结构的影响[2]。由于边跨合龙时刚性支撑的受力较小[3],本文主要探讨在不同的合龙顺序下中跨刚性支撑的受力。
对于方案一,中跨刚性支撑工作时临时支座已拆除,由于连续梁桥为轴向静定结构,此时中跨刚性支撑承担支座摩阻力和局部温差的影响;对于方案二,在中跨刚性支撑起作用时,临时支座尚未拆除,此时为超静定结构,需要考虑整体升温和局部温差的影响[4],且需要考虑桥墩刚度的影响。
超静定结构的温度内力计算可以采用力学及简化公式进行计算,也可以利用有限元分析软件分析结构的温度内力[5]。 1.1 温度内力计算公式
根据合龙时合龙段两侧桥墩的临时支座是否拆除,合龙段刚性支撑温度计算时的结构模型可分为两种情况[6]:即两侧均固结(两侧临时支座均未拆除)及一端固结一端滑动。 (1)两侧均固结
式中,N为由温度引起刚性支撑承担的轴向力;αh为混凝土线膨胀系数;Δt为升温温差;L为合龙跨总长;Lg为刚性支撑长度;Ag为刚性支撑面积;Eg、Eh分别为钢、混凝土的弹性模量;Aih为箱梁第i段截面平均面积;Lih为箱梁第i段
长度。
当两侧的临时支座均不拆除时,在温度作用下刚性支撑承担的荷载很大,而且与两侧的桥墩抗推刚度有关,桥墩越矮,抗推刚度越大,则刚性支撑受到的荷载作用也就越大。一般合龙段锁定在一天内温度最低的时刻进行,合龙时可根据当地历史天气和合龙前几天的天气及梁温测试数据,预估合龙段锁定后到混凝土达到足够强度前可能产生的升温值,根据升温温度值和结构特性计算刚性支撑承担的荷载。 (2)一端固结一端滑动
边跨合龙时,合龙段两侧一般为一端固结一端滑动情况,此时的刚性支撑主要承担滑动侧的摩阻力及合龙时张拉的临时束的张拉力[7]。 刚性支撑在升温时承担的轴向力为
式中,N为由温度引起刚性支撑承担的轴向力;FG为滑动侧梁的自重;μ为活动支座摩阻系数,对盆式橡胶支座可取0.04;Ny为临时张拉的预应力钢束的预张力。 刚性支撑在降温时承担的轴向力为 1.2 方案一刚性支撑
方案一分析模型如图1所示,分析采用跨中合龙段两侧轴向及转动自由度耦合的方式进行计算,考虑升温时支座摩阻力和顶板升温情况下的刚性支撑受力,由静力分析结果,中支座的竖向反力为45 800 kN,边支座的竖向反力为5 420 kN,经有限元分析可得其所受轴向压力为2 048.8 kN,弯矩为1 920 kN·m。 1.3 方案二刚性支撑
方案二由于临时支座尚未拆除,需考虑桥墩的作用,故建模时需考虑桥墩的影响,此时结构受力类似于刚构桥。
临时支座采用常用的在桥墩上设置临时支座的方式,临时支座平面如图2所示。由于临时支座与0号块采用精轧螺纹钢连接,在拆除临时支座前,梁与桥墩之间的连接较强,节点受力类似于刚构节点。
合龙期间合龙段劲性骨架的受力与外界温度变化、结构的水平向刚度有关,故计算模型中考虑了桥墩的作用,桥墩与梁部结构采用自由度耦合的方式连接,由于未拆除临时支座,故计算时按照节点的3个自由度UX、UY以及ROTZ均耦合。合龙前结构分析模型如图3所示。
分析考虑在一天内的最低气温时合龙,合龙段劲性骨架承受升温作用下的压力及弯矩作用。中跨合龙刚性支撑按照在温度较低时锁定临时固结,按照升温15℃计算,刚性支撑所受轴向压力为7 540 kN,弯矩7 800 kN·m。 1.4 刚性支撑骨架设计
按照上述内力可进行刚性支撑的设计,刚性支撑骨架构造如图4所示。
跨中梁高为3.85 m,扣除底板厚度0.42 m,刚性支撑骨架之间的距离为3.43 m,在上述荷载的作用下,每个刚性支撑承担的荷载如下,轴向力以受压为正。 方案一:最大轴向力792.08 kN,最小轴向力232.32 kN; 方案二:最大轴向力3 022.03 kN,最小轴向力747.97 kN。
由上述分析结果可以看出,先合龙中跨的方案二在整体升温和局部温度作用下,刚性支撑承担的荷载较方案一大得多,相应的刚性支撑也较方案一要加强,连接位置的强度也需要提高。故先合龙中跨的情况下对刚性支撑的要求较高,且和桥墩的刚度有较大的关系,桥墩刚度越大,刚性支撑受力也就越大。
为使悬臂施工连续梁桥的成桥线形满足设计及运营要求,在施工过程中一般需要进行线形控制,主要工作是设置合适的预拱度值,这就要求在确定立模高程时全面考虑所有因素的影响,连续梁的预拱度与其形成过程和合龙顺序有着直接的联系,同一座连续梁若合龙顺序不同,其预拱度也有很大的不同;另外,预应力张拉时的结构体系对预拱度也有较大的影响[8]。 立模高程的计算公式如下[9] 式中 Hlmi―――第i梁段前端立模高程;
Hsji―――第i梁段前端设计高程;
∑fi―――第i梁段前端从安装到成桥收缩徐变完成的累计位移值,含自重、预应力、混凝土收缩徐变、二期恒载等所有因素对此段前端位移的影响,可根据有限元分析模型的前进分析和倒退分析结果取值;
fgl―――挂篮前端变形值,挂篮变形值是根据挂篮加载试验确定的在施工过程中加以考虑。
为说明合龙顺序对连续梁线形监控预拱度设置的影响,对一座高速铁路
(48+80+48)m连续梁按照不同的合龙顺序分别进行了建模,建模时对预应力钢束进行了如下处理。
方案一:边跨合龙完成后,张拉边跨所有预应力钢束,拆除临时支座,合龙中跨,张拉所有剩余预应力钢束。
方案二:中跨合龙完成后,张拉中跨所有预应力钢束,拆除临时支座,合龙边跨,张拉所有剩余预应力钢束。
为分析预应力张拉顺序对预拱度的影响,在方案二的基础上另增加方案三:中跨合龙完成后,张拉中跨部分预应力钢束。 3种方案下的梁体累计位移如图5所示。
3种方案下不计挂篮变形的计算预拱度如图6所示[10]。
由图5、图6可见,不同施工方案的梁体预拱度有较大的不同,方案二在中跨合龙后,张拉全部的底板预应力钢束,拆除临时支座时边跨悬臂端有较大的竖向位移,造成边跨最大悬臂端部的预拱度较方案一大6 cm左右,在进行线形监控时方案二的难度相对方案一大。对采用先中跨后边跨合龙顺序的桥梁线形控制时需要提前把握预应力度、预应力效应对结构的影响,否则有可能造成线形不满足要求。若先合龙中跨,建议合龙中跨后张拉一部分中跨底板预应力束,使梁体应力满足施工阶段要求即可,可减少预应力对预拱度的影响。
设计时若采用方案二合龙顺序,建议中跨跨中预应力钢束预留部分在全桥合龙后张拉,在施工过程中张拉部分预应力即可。
连续梁的成桥内力与其形成过程有直接的联系,不同合龙顺序下的梁体内力也有一定的不同[11-13]。成桥阶段梁体应力比较如图7所示。
由图7可见,方案一成桥应力上缘应力较方案二大,下缘应力小,但由于后期混凝土收缩徐变的影响,最终应力相差不大,由检算结果,均满足运营阶段对梁体的应力要求。 从施工方案、线形控制和成桥应力几个方面对合龙顺序对3跨连续梁桥的影响进行了分析,主要结论如下:
(1)先合龙中跨的情况下,刚性支撑受力较大,需要设置比先合龙边跨方案更强的刚性支撑,施工时需要根据桥墩、连续梁刚度进行分析;
(2)先合龙中跨的情况下,边跨合龙段两侧在合龙前的累计位移相差较大,线形控制的难度较先合龙边跨的大,若先合龙中跨,建议合龙中跨后张拉一部分中跨底板预应力束,使梁体应力满足施工阶段要求即可,可减少预应力对预拱度的影响;
(3)由于混凝土的徐变影响,2种方案的成桥应力相差不大,均能满足运营阶段的安全要求;
(4)设计时可根据现场实际情况确定合龙顺序,建议采用先合龙边跨的施工方式,降低施工难度。拆除临时支座后,在另一侧的中活动墩需设置临时限制水平位移的构造。
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