预应力混凝土连续梁桥边跨现浇段方案优化及桥梁结构的影响分析.pdf

2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 2 3 7 预应力混凝土连续梁桥边跨现浇段方案优化及 桥梁结构的影响分析 伍川 ( 中铁七局集 团第三工程有限公司 ， 陕西 西安 7 1 0 0 3 2 ) 摘要： 该文介绍了马家塘特大桥( 4 0 + 6 4 + 4 0 ) m预应力混凝土连续梁桥边跨现浇段的施工方案所作的优化。 接着将优化后桥梁结 构的线形和受力与原设计方案进行对 比分析。 通过分析验证了优化方案能够满足设计要求， 且缩短了施工工期， 降低了工程造价。 其成果为今后类似桥梁工程的施工积累了宝贵的经验。 关键词 ： 连续梁； 边跨； 线性和受力； 优化方案 中图分类号： U 4 4 8 ． 2 1 + 5 、 U 4 4 5 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 9 - 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 8 — 0 2 3 7 — 0 3 1 桥梁悬臂施工法发展概况 桥梁悬 臂施 工法是在上 世纪 6 O～7 0年代 ， 随 着预应 力材 料和技 术 的发展而获 得 了广泛应用 。 大跨度桥梁悬臂挂篮施 工技术 ，必须应用许 多新 的工艺控制技术 ， 包括结构 材料质量 控制 、 结构受 力及变形控制等。特别是诸如施工过程结构变形 位移和受力安全等既涉及施工过程质量、安全控 制 ， 又直接影响到预期成桥结构线形 和受 力状 态 ， 甚至会对最终结构长期运 营使用 和维护产生长远 影响。 ． 本文 结合 现场 对马 家塘特 大桥 ( 4 0 + 6 4 + 4 0 ) m 预应力 混凝土连续梁桥 的施工监控工作 ，对马家 塘特 大桥边跨现浇段 的施工方案进行优 化 ，并对 优化 方案对桥梁结构 的线形及受力 的影响进行综 合分析 。 ． 2工 程概况 马家塘特大桥( 4 0 + 6 4 + 4 0 ) m预应力混凝土连 续梁桥的梁体上部结构如图 1 所示。 ‘ 。。 。。 。●。 。。 ‘— 图 1 马家塘 特大桥 ( 4 0 + 6 4 + 4 O ) m连 续梁桥 上部结 构图 梁体为单箱单室 、 变高度 、 变截面箱梁 ， 梁体 全长 1 4 5 ． 2 In ，中跨 中部 1 0 m梁段和边跨端部 1 3 ． 6 1T I 梁段为等高梁段 ， 梁高 2 ． 9 m； 中墩处梁高 为 5 ． 3 m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。 梁底至梁顶高为 0 ． 7 m 。线间距为 4 ．4 m和 4 ．6 m 时箱梁 顶板 宽 分别 为 9 ． 3 6 m和 9 ． 5 6 I 1 1 ，箱 底宽 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 5 — 2 3 作者简介： 伍川( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 四川达县人 ， 工程师 ， 从事路桥 工程 施工 及管理工 作 。 6 ． 4 m。 全桥顶板厚 3 5 c m； 底板厚 3 9～8 0 c m， 在梁 高变化段范围内按抛物线变化； 腹板厚 4 0 ～ 7 5 c m， 按折线变化 。 该 桥施 工 控制 按 照 施 工_ + 量 测 识 别一 修 正 预告一施工的循环过程，使施工按照预定的 理想状态顺利推进。由于实际上不论是理论分析 得到的理想状态还是实际施工都存在误差 ， 所以， 对该桥进行施工控制的核心任务就是对各种误差 进行分析 、 识别、 调整 ， 对结构未来状态做 出预测 。 该桥 施 工 中采 用 自适 应 控 制法 对 其进 行 控 制。基本思路为当结构的实测状态与模型计算结 果不符时，通常将误差输入到参数辨别算法中去 调整计算模型的参数 ，使模型的输出结果与实测 结果一致 ， 得到修正的计算模型参数后， 重新计算 各施工阶段的理想状态 ，经过几个 阶段的反复识 别后， 计算模型就基本与实际结构一致， 从而对施 工过程进行有效控制。 马家塘特大桥( 4 0 + 6 4 + 4 0 ) m 连续梁 自适应施工控制流程 图如图 2所示 。 图 2 马家塘特大桥( 4 0 + 6 4 + 4 0 ) m连续梁自适应施工 控制方 法流程 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 8 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 3 边跨现浇段方案优化 在边跨 8 号块悬臂施工完成后 ，边跨现浇段 的原设计方案如下 ： ( 1 ) 利用万能杆件在边墩墩顶安装托架并进行 预压 ， 并安装边跨的支座 ， 根据合拢温度及混凝土 收缩徐变预 留偏离量 ， 锁定边支座纵向活动位移 ； ( 2 ) 将边跨挂篮前移一个阶段 ； ( 3 ) 利用挂篮及墩顶支架 ， 在一天最低温度时 浇筑边跨 9号节段、 1 0号节段混凝土； ( 4 ) 待混凝土强度及弹性模量达到设计值的 9 0 ％且不小于 5 d 龄期后 ，拆除体外支撑，张拉 N 1 6 、 N 2 1 钢束。 原方案 中未指 明托架承担 的混凝 土重 量的范 围， 为缩短工期 、 减少工程投人、 减小临时支撑杆 件的使用、减小了边跨现浇段自重对边墩的偏心 作用， 将边跨现浇段优化为如下方案： ( 1 ) 挂篮前移一个 阶段 ； ( 2 ) 在桥墩墩顶搭设模板 ， 安装边跨的支座 ， 根据合拢温度及混凝土收缩徐变预留偏离量 ， 锁 定边支座纵向活动位移； ( 3 ) 利用挂篮及墩顶部分 的模板 ， 在一天最低 温度时浇筑边跨 9号节段、 1 O 号节段混凝土； ( 4 ) 其余施工顺序同原方案。 方案优化后 ， 缩短 了施工周期 ， 节省 了墩 顶托 架及万能杆件的用量， 与原方案相比， 结构的受力 上存在一些不同之处 ： ( 1 ) 由于采用挂篮合拢 ， 挂篮前移对 8 号块以 前的结构受力有一定的影响； ( 2 ) 两种方案下的结构预拱度会有一定的区别； ( 3 ) 边跨现浇段的施工方案发生变化后 ， 边跨 现浇段的自重对桥梁整体结构的受力也有一定的 影 响。 故需要对优化后的方案及优化前的方案进行 统 一 比较 ，检验优 化方案后 的桥梁结构 承载力 是 否满 足要求。 4 方案优化对结构预拱度的影响 原方案按照利用挂篮和托架整体施工边跨现 浇段， 在墩顶段施加竖向约束 ， 原方案边跨合拢时 的结构图如图 3 所示。 ( a ) 边跨现浇段合拢 ( b ) 边跨合拢后 图 3 原方案计算模型 优化方案采用挂篮与边跨墩顶的模板合拢边 跨 ，检算按照边跨墩顶之外的混凝土重量 由挂篮 承担， 并完全传递到已成的结构上， 墩顶部分混凝土 的重量由桥墩承担，故检算按照先施加墩顶部位之 外的混凝土自 重， 再施加墩顶部位的混凝土自重， 优 化方案边跨合拢时的结构分析模型如图4 所示。 ( a ) 边跨现浇段合拢( 墩顶之外的混凝土重量) ( b ) 边跨合拢后( 墩顶混凝土重量) ( c ) 边跨合 拢后 图 4 优化方 案计算模 型 4 ． 1 累积位移对比 由对比可以发现 ， 优化方案的梁体向下的竖向 位移较大 ， 较原方案向下的位移大了 一 0 ．0 2 7 4 m， 此种情况下， 梁体的预拱度较原方案大， 结构的整 体线形的控制难度较原方案大。 4 ． 2 预拱度的对 比 由于施工方案发生了变化， 故悬臂施工阶段的 梁体预拱度也会发生变化， 两种情况下的梁体累积 位移对比如图5 所示， 预拱度对比图如图6所示。 0 ． 0 { 0 ． 蹬0 噱 ～ 0 — 0 图 5 两 种方案下 的累积位 移对 比图 。 图 6两种方 案下的预拱 度对 比图 由图 5和图 6可见 ，优化方案边跨最大预拱 度为 0 ． 0 3 5 m， 原方案最大预拱 度为 0 ． 0 1 0 m， 边跨 最大预拱度位置相差 0 ． 0 2 5 m； 优化方案跨 中预拱 度为 一 0 ．0 1 0 m，原方案跨中预拱度为 0 ．0 0 1 m， 相 差 0 ．0 1 l m， 故优化方案与原方案的预拱度设置上 有一定的差异。 4 ． 3 线形保证措施 由于优化方案预拱度较原方案大 ，施工过程 中的位移可能发生的位移偏差也大，故可能造成 线形的偏差 ， 施工过程中采取了相应的措施 ， 保证 结构的合拢精度和整体线形： ( 1 ) 在施工初期就确定了后期的边跨现浇段的 施工方案，在施工监控有限元建模及悬臂施工的 开始阶段已考虑了此方案变化对其他梁段预拱度 的影响 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与 防洪 管理施工 2 3 9 ( 2 ) 施工过程中严格控制梁段的立模标高 ， 立 保证了线形控制的精度和合拢精度； 模误 差控制在 5 mm以内； ( 3 ) 施工控制过程 中 ， 为 了更好地把 握各种 因 素引起的结构位移，利用 自适应控制方法对梁体 结构的计算位移及预拱度值进行了调整； ( 4 ) 边跨现浇段实际施工时的受力图示应该介 于原方案与优化方案之间，故在预拱度设置时考 虑 了此 因素的影 响 ，实际 的预拱度值按 照两者之 间的预拱度值设置。 5 方案优化对桥梁结构应力的影响 原方案边跨支点附近下缘最大应力为 7 ． 6 MP a ， 上缘最大应力为 8 ． 9 MP a ； 修改方案下缘 最大应力 为 7 ． 7 M P a ， 上缘最大应力为 8 ． 6 M P a ， 下缘压应力 增加 了 0 ． 1 MP a ， 上缘压应力减小了 O - 3 MP a ， 由于 边跨接近支点的位置在活荷载作用下拉应力较 大 ，故优化方案的压应力储备较原方案的压应力 储备大 ， 更有利于结构的受力。 在成桥考虑收缩徐变后， 原方案边跨支点边跨 下缘最大应力为7 ．4 M P a ， 上缘最大应力为 8 ．4 M P a ； 修改方案下缘最大应力为 7 ． 5 M P a ， 上缘最大应力 为 8 ． 2 MP a ， 下缘压应力增加 了 0 ． 1 MP a ， 上缘压应 力减小 了 0 ． 2 MP a 。 原方 案在施 工 阶段 最 大压应 力 为 1 3 ． 0 MP a < 0 ．7 5 f ,- -0 ． 7 5 3 3 ． 5 = 2 5 ． 1 2 5 ( M P a ) ， 满足最大压应力 要求 ； 最小应力为 一 1 ． 2 M P a < 0 ． F 0 ． 7( 一 3 ． 1 O ) = 一 2 ． 1 7 ( MP a ) ， 小于规范允许拉应力值 ， 满 足施 工阶 段拉 应力的要求 。 优化方案在施工阶段最大压应力为 1 2 ．6 M P a < 0 ． 7 ： O ． 7 53 3 ． 5 = 2 5 ． 1 2 5( MP a ) ， 满 足 最 大 压 应 力 要 求 ； 最小 应力 为 一 1 ．3 MP a < O ．7 f ~ , = 0 ．7( 一 3 ． 1 O ) = 一 2 ． 1 7( MP a ) ， 小于规 范允许 拉应力 值 ， 满 足施工 阶 段拉应力的要求。 两种方案均满足施工过程中的应力要求。 6结论 由以上分析可见 ： ( 1 ) 方案优化后 ， 在 一定 程度 上增加 了线形 控 制的难度 ， 在施工过程中采取了切实可行的措施 ， ( 2 ) 优化方案及原方案均满足规范对施工阶段 中梁体应力限值的要求； ( 3 ) 运营阶段中 ， 优化 方案的压应力分布更为 均匀 ，跨 中截面优化方 案较原方 案有较大 的压应 力储备。 在连续悬臂桥梁施工中，首次尝试进行边跨 采用挂篮 +墩顶模板拼装技术 ，板拼装施工质量 稳定 ， 安全可靠 ， 节省工期。在施工安全、 质量、 进 度等方面赢得了各界的广泛好评 ，取得了良好的 社会效益 ，为今后类似工程的施工积累了宝贵的 财 富和经验 。 参 考文 献 【 1 】 邓聚龙．灰色理论教程[ M 】 ． 武汉： 华中理工大学出版社． 1 9 9 0 ． 【 2 ] 张永水 ， 顾安邦． 灰色系统理论在连续刚构桥施工控制中的应 用 【 J 】 ． 公路 ， 2 0 0 1 3 ( 6 ) ． [ 3 】 卢 哲安 ， 于 清亮 ． 灰色 理论 在连续 梁桥 施工 控制 中 的应用 f J 】 ． 武 汉理工 大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3 ) ： 8 3 — 8 5 ． 【 4 】 汪娟娟． 灰色系统理论在大跨径桥梁施工控制中的应用【 D ] ． 武 汉： 武 汉理工大 学． 2 0 0 6 ． 【 5 】 项海帆， 徐君兰． 大跨度桥梁施工控制【 M ] ． 北京： 人民交通出版 社， 2 0 0 0 ． 【 6 】向中富． 桥梁施工控制技术【 M】 ． 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 7 】 顾安邦， 张永水． 桥梁施工监测与控制【 M 】 ． 北京： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 8 】 杨雷， 张永水， 高建． 灰色系统理论在白果渡嘉陵江大桥施工控 制 中的应用 【 J 】 ． 重庆交 通学院学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 5 ) ： 5 — 8 ． [ 9 ]9韩红春． 大跨度预应力混凝土连续梁悬臂施工控制研究与实践【 D 】 ． 成都 ： 西南交通大学， 2 0 0 7 ． [ 1 O 】 刘喜辉． 大跨度预应力混凝土连续粱施工控制技术研究【 D 】 ． 南 昌： 华东交通大学 ， 2 0 0 6 ． 【 1 1 】 高淑照． 灰色系统理论在混凝土桥梁施工挠度变形监测中的 应用[ D 】 ． 成都 ： 西南交通大学， 2 0 0 3 ． 【 1 2 】 郝天之． 灰色理论在连续刚沟桥施工控制中应用研究 【 D 】 ． 南 宁： 广西大学， 2 0 0 7 ． 【 l 3 】 宋丽加． 大跨度预应力混凝土连续梁悬臂施工控制研究【 D 】 ． 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 7 ． [ 1 4 】 葛耀君．分段施工桥梁分析与控制【 M ] E 京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 ． 【 1 5 】 向中富． 桥梁施工控制技术【 M 】 ． 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 1 ． 【 1 6 】 赵文武． 辛克贵预应力混凝土斜拉桥 自 适应施工控制分析【 J 】 ． 工程 力学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 2 ) ． 7 8 — 8 3 ． [ 1 7 】 赖世桂． 自适应控制在石崆山高架桥施工控制中的应用[ J 】 ． 公 路交通科技，2 0 0 3 ， 2 0 ( 4 ) ： 5 9 — 6 3 ． ( 上接第 2 3 6页) 参考 文献 【 1 】 李旭东， 鞠洪海． 隔震橡胶支座力学性能研究综述[ J 】 ． 山西建筑 ， 2 0 0 7， ( 2 ) ． 【 2 】 程伟． 大跨度预应力混凝土连续梁桥施工控制研究[ D I ． 2 0 0 5 ． 【 3 】 石啸．铁路客运专线现浇连续箱梁梁式支架体系施- E [ j ] ． 中国港 湾建设 ， 2 0 1 0， ( 3 ) ． 【 4 】 陈可， 宋建永． 体外预应力桥梁三维有限元仿真及力学性能分 析【 J 】 ． 公路交通科技 ， 2 0 1 0 ． 【 5 】 公路桥梁板式橡胶支座应用中需要注意的几个问题[ A I ． 中国公 路学会桥梁和结构工程分会2 0 0 6 年全国桥梁学术会议论文集[ c 】 ． 2 0 0 6． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m