基于不同合龍順序下多跨連續梁橋施工監控分析

■張星誠

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350108）

連續梁橋是主梁在橋墩上連續支承并與橋墩以鉸接方式連接的梁式橋，屬于多次超靜定結構。隨著施工方法的不斷改進，預應力混凝土連續梁橋的應用逐漸變得廣泛。 連續梁橋在懸臂澆筑施工過程中，結構內力和撓度隨著結構懸臂段的增長以及體系轉換的進行而發生變化，而結構體系轉換的順序也影響著結構內力和撓度變化[1-2]。 因此對于多跨連續梁橋，需要確定合理的合龍順序，保證橋梁成橋線形、內力的合理性。懸臂澆注施工的橋梁施工控制主要包括變形、應力控制等內容，通過有限元模擬施工過程， 比較理論分析結果和實測數據為橋梁下一個階段的立模提供指令，用以調整、修正橋梁前期實際澆筑與設計值的誤差[3]。 肖嘯等[4-5]運用大型空間有限元軟件分析了多跨連續梁橋的多種施工合龍順序， 得出多跨連續橋一般最普遍適用的方案是從兩端向中間逐步合龍， 但也需在理論分析的基礎上結合具體橋梁的實際施工環境來制定合龍方案。

以新建泉州大橋主橋為背景， 基于Midas 有限元軟件進行不同合龍順序下的施工狀態分析， 比較不同合龍順序下的成橋位移、應力等參數范圍，確定該結構最佳合龍順序，并基于上述分析，對該主橋的施工監控注意事項和關鍵點提出合理建議。

1 工程概況

新建泉州大橋主橋采用七跨變截面預應力砼連續懸澆箱梁，跨徑布置為（34.5+5×55+34.5）m。 箱梁斷面采用單箱三室，箱梁高度為二次拋物線變化，箱高從2 m 漸變至3.6 m，箱梁頂部寬度為26 m，底寬17.55～18.35 m， 箱梁在橫橋向頂底板設2.5%的單向橫坡，箱梁梁體兩翼板懸臂長度3.5 m，變截面箱梁全橋處于平面直線段內。主梁均采用C50 混凝土。主橋在墩頂0#塊處設置厚度為2.3 m 的橫隔板，在邊跨端部設厚度為1.5 m 的橫隔板。箱梁采用縱、橫預應力體系，縱向按全預應力結構設計。 橋梁支座采用摩擦擺減隔震支座和盆式支座。 主橋下部結構采用雙柱方墩，承臺樁基礎，以主橋墩1#～6#進行命名。 連續懸澆箱梁1#～6#塊采用掛籃懸臂澆筑施工，本箱梁最大節段重209 t。 主橋共計7 個合龍段，長度均為2 m。

邊跨合龍時需要安裝落地支架，按不小于施工總重量120%充分預壓，再施工邊跨現澆梁段。 主墩的懸臂端掛籃拆除，并在懸臂端安裝平衡重（每端重量為1/2 的合龍段自重）。待混凝土齡期滿7 d 且達到90%的設計強度及90%的彈性模量后，解除臨時鎖定，張拉頂底板預應力索。 中跨合龍時安裝吊籃模架，對稱支撐于懸臂端，之后進行立模、綁扎鋼筋和預應力管道等工作。 安裝中跨合龍段臨時鎖定結構（必要時安裝剪力撐），并選擇一天中溫度最低并且較穩定的時間，開始澆筑中跨合龍段混凝土，同步逐漸卸除等量中跨合龍段端的平衡重。 混凝土齡期滿7 d 且達到90%強度及90%彈性模量時，解除臨時鎖定，張拉頂底板預應力索。橋梁結構現場立面圖、橫斷面圖、懸臂澆筑段剖面圖見圖1～3。

圖1 橋梁立面圖 （單位：cm）

圖2 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

圖3 懸臂澆筑段剖面圖（單位：cm）

2 有限元模型建立

使用Midas Civil 有限元分析軟件，參考設計圖紙要求，建立新建泉州大橋主橋的墩梁空間有限元模型。 該模型采用梁單元共計234 個，同時基于施工工藝、流程等要求，建立施工階段分析。 邊跨直線段采用滿堂支架法施工，其余合龍段采用吊籃模架進行施工。 有限元模型如圖4 所示。

圖4 橋梁結構有限元模型

3 不同合龍方案研究

3.1 合龍方案

多跨連續梁橋施工過程中，首先是要在每個墩上建立起0 號塊，并建立墩梁臨時固結約束。 在此基礎上，依托掛籃左右對稱施工直至合龍段前。 隨著合龍的進行， 主梁的超靜定結構次數逐漸增加，再加上臨時固結轉換成支座連接的體系轉換，受力過程較為復雜。 本連續梁橋的跨徑布置采用不等跨形式，邊跨會使得中跨的跨中彎矩顯著減小。 因此，從邊跨開始合龍或者中跨開始合龍對主梁的幾何線形、內力帶來的變化是不一致的，而且不同的施工順序及其相應的體系轉換對最終成橋狀態帶來的影響也存在差異性。

為探究不同合龍順序對成橋狀態的影響， 確定了3 種對稱合龍工況：第一種：邊跨（①和⑦）-次邊跨（②和⑥）-次中跨（③和⑤）-中跨（④）；第二種：中跨（④）-次中跨（③和⑤）-次邊跨（②和⑥）-邊跨（①和⑦）；第三種：邊跨（①和⑦）-次邊跨（②和⑥）-中跨（④）-次中跨（③和⑤）。 各跨懸臂段如圖5 所示。

圖5 各跨懸臂段示意圖

3.2 主梁位移分析

依次對上述3 種合龍工況進行每跨合龍階段、最終合龍階段等分析。 由于合龍順序不同，導致合龍之前形成的臨時結構、臨時約束也不相同，進而導致了在進行合龍時，橋跨會由于已經形成的相對穩定的結構體系在進行體系轉換時整體橋梁的受力分配不同而發生不同程度的豎向位移。 各跨合龍段如圖6 所示。

圖6 各跨合龍段示意圖

3 種對稱合龍工況下，各跨中主梁截面的最大下撓位移如圖7 所示。 工況1 的最大下撓值為第2 跨跨中截面的18.6 mm，出現在1、6# 墩解除橋墩臨時約束的施工階段；工況2 的最大下撓值為第7 跨跨中截面的41.1 mm，出現在1、6#墩解除橋墩臨時約束的施工階段；工況3 的最大下撓值為第6 跨跨中截面的38.8 mm，出現在2、5#墩解除橋墩臨時約束的施工階段，工況2、3 相較于工況1 的施工過程最大位移分別增大123%、109%，且工況1 整體最大位移變化幅度相對于其余2 種工況更為平緩。 在臨時固結約束解除后，橋梁懸臂端在自重作用下會有不同程度下撓。 橋梁的合龍精度要求為±20 mm，如果階段位移過大，疊加溫度等荷載作用，不利于合龍精度的保證，并且增加施工難度和監控難度，容易導致最終成橋線形達不到設計精度要求。

圖7 各跨中主梁截面在施工過程最大位移圖

橋梁最終合龍階段主梁豎向位移如圖8 所示。首先，采用工況1 的合龍順序時，最終合龍階段的橋面線形起伏相對于其余2 種工況更為平緩，有利于預拱度的設置，且總體保持較大的上拱值；其次，雖然工況2、3 的上拱值相較于工況1 增加了1.6 mm、6.1 mm，增長幅度為9.0%、34.3%；但是下撓值分別增加6.2 mm、16.0 mm，增長幅度為106.9%、275.9%；最后，再次分析橋梁經歷十年收縮徐變與二期荷載完成后的位移變化，發現與圖8 基本一致。 因此，采用工況1 的“邊跨-次邊跨-次中跨-中跨”的合龍順序方式更有助于預拱度設置和最終成橋線形的平緩度。

圖8 最終合龍階段主梁豎向位移圖

3.3 主梁內力分析

主橋在施工過程中， 由于懸臂端不斷地加大，合龍前，主梁頂板、底板應力逐漸增大，且對橋墩的壓彎效應影響逐漸增大。 針對上述情況，進行主梁的合龍前最大懸臂狀態、 最終合龍階段應力分析。不同工況下的合龍前最大懸臂狀態如圖9 所示，應力值如表1 所示。 工況1、2 的主梁頂、底板最大應力基本一致。 工況3 的主梁頂、底板最大應力整體上略小于其余2 種工況。

表1 不同工況下合龍前最大懸臂狀態應力值

圖9 不同工況下合龍前最大懸臂狀態示意圖

在各工況的合龍順序下，最終合龍階段主梁頂板應力變化趨勢基本一致，頂板最大壓應力均出現在橋墩支點附近，其中工況3 的頂板最大壓應力整體上略小于其余2 種工況，具體如圖10 所示。

圖10 最終合龍階段頂板應力圖

工況1 最終合龍階段的底板最大壓應力出現在橋墩支點附近，工況2、3 最終合龍階段的底板最大壓應力出現在每跨合龍段附近，與工況1 最值呈現錯峰交替出現現象，如圖11 所示。

圖11 最終合龍階段底板應力圖

綜上所述，3 種不同合龍順序下主梁截面應力變化趨勢基本一致，且數值上沒有明顯差異。 但力值出現峰值的部位應予以重點關注，如橋墩支點附近需要重點關注0 號塊的受力是否異常，主梁合龍段附近需要重點關注負彎矩帶來的影響。

3.4 橋墩受力分析

在施工過程中，除主梁跨中合龍段和主梁根部受力較大的外，已建成的橋墩處于壓彎狀態，在懸臂端不斷增大的過程中，橋墩承受的軸力和彎矩的疊加效應不斷加大，因此，有必要就已有設計中的橋墩承載力是否滿足施工過程中的荷載進行驗算。主橋橋墩配筋如圖12 所示。 不同合龍工況下橋墩受力作用值如表2 所示。

表2 不同合龍工況下橋墩受力作用值

圖12 主橋橋墩配筋圖（單位：mm）

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）中規定，按橋墩截面為雙筋截面，每邊33 根φ28 mm 鋼筋，分別對橋墩正截面抗壓承載力和彎矩作用平面內的截面承載力進行復核。 驗算結果見表3、4。

表3 不同合龍工況下橋墩正截面抗壓驗算結果

表4 不同合龍工況下橋墩彎矩作用驗算結果

綜上所述，工況1 合龍順序下的橋墩正截面抗壓承載力和彎矩作用平面內的截面承載力均滿足要求。 工況2、3 合龍順序下橋墩彎矩作用過大，超過容許承載力，將會導致橋墩處于危險狀態，影響施工安全，增大施工難度。

4 施工過程監控要點和建議

連續梁橋為超靜定結構， 在整個施工過程中，雖然可以采用有限元方法計算出各施工階段的預拋高、預應力張拉力等，但在實際施工過程中，由于各種因素干擾，會使得使結構實際狀態偏離設計狀態，因此在主橋施工過程中需進行嚴格的施工監控。對于橋面線形，施工監控需要根據施工監測所得的結構參數實際值進行施工階段計算， 確定出每個后續澆筑節段的立模標高，并在施工過程中動態調整下一節段的立模標高。 根據3.2 節的位移分析，即使是最終成橋狀態下撓值最小的工況1，也存在18.6 mm 的撓度，因此在施工過程中，需要給予一定的預拱值來動態調整成橋線形。 對于主梁內力，由3.3 節分析可知，需要在0 號塊、合龍段等受力最不利的位置布置足量的應變計，且測試需要盡可能減小溫度的影響，選擇溫度穩定的時段，宜在清晨或深夜進行相關測試。

5 結論

以新建泉州大橋主橋（七跨連續梁橋）為背景，基于Midas 有限元軟件比較不同合龍順序下的成橋狀態分析，得出結論如下：（1）不同合龍順序對成橋線形的影響程度很大，而采用工況1 的“邊跨-次邊跨-次中跨-中跨”的合龍順序更有助于預拱度設置和最終成橋線形的平緩度，且工況1 整體最大位移變化幅度相對于其余工況更為平緩；（2）不同合龍順序對主梁的內力影響程度基本一致，內力極值出現在橋墩支點、主梁合龍段附近，需要重點進行監控；（3）采用工況1 合龍順序下的橋墩內力驗算均滿足要求，工況2、3 合龍順序下橋墩的彎矩作用過大，超過容許承載力，橋墩配筋無法滿足要求，容易造成橋墩受力過大；（4）施工過程中的立模標高控制需要根據計算和實際量測結果動態調整，并且在受力最不利位置要布置足量的應變計進行監控，同時要注意測試時溫度帶來的影響。