曹支才, 任万鹏, 赵伟博

(1.陕西省交通建设集团公司 旬邑至陕甘界高速公路建设管理处，陕西 咸阳 711300 ； 2.太原理工大学，山西 太原 030024)

0 引言

随着我国桥梁施工水平的日益精进，预应力混凝土连续刚构桥成为一类常用桥梁形式，有着跨越能力强、外形美观、抗震能力强等诸多优点[1-3]。与其他桥型相比，连续刚构桥属于超静定结构[4]，受力情况更为复杂，在施工过程中，需进行严格的施工监控以确保桥梁的线形美观和受力合理，因此针对这一问题进行施工过程仿真分析，为同类桥型的施工监控提供理论依据，亦可作为设计施工的参考。

1 工程概况

某新建大桥为预应力钢筋混凝土连续刚构，桥梁长度为220 m，跨径布置为(60+100+60)m。本桥为左、右幅布置形式，均为单箱双室变截面连续刚构箱梁，支点处梁高为5.8 m，边跨直线段及主上跨跨中处梁高为2.6 m。采用单箱双室直腹板截面形式，顶板宽15.98 m，底板宽10.98 m，翼板长2.5 m，为单向横坡。

箱梁下部主墩采用10.98 m×1.2 m的钢筋混凝土双肢薄壁墩，基础采用12φ1.8 m钢筋砼钻孔群桩。连接墩采用10.98 m×3 m的钢筋混凝土空心薄壁墩，基础采用6φ1.8 m双排钢筋砼钻孔群桩。桥梁总体布置图如图1所示。

图1 桥梁总体布置图(单位：cm)Figure 1 General layout of bridge (Unit: cm)

根据施工方案可知，箱梁采用挂篮悬臂法施工，故沿箱梁纵向划分为0号段、悬臂浇注段、合拢段及边跨现浇段4种类型，共设60个梁段。其中，0号段长度为8 m，悬臂节段中1～5号段长度为3.0 m，6～9号段长度为3.5 m，10～13号段长度为4.0 m，边跨合拢段和中跨合拢段均为2.0 m，边跨现浇段为8.84 m。0号块分别位于7号与8号主墩上，高5.8 m、宽15.9 m、长8 m，混凝土方量为330.8 m3，重860.1 t；最大重量悬臂段为1号块，混凝土方量为79.3 m3，重206.2 t。箱梁典型截面尺寸如图2所示。

图2 箱梁标准横断面图(单位：cm)Figure 2 Standard cross section of box girder (Unit: cm)

箱梁采用C55混凝土，桥面铺装采用C50防水砼，箱梁桥墩墩身、连接墩采用C40混凝土，箱梁桥墩桩基、承台采用C30混凝土。

箱梁预应力筋规格：公称直径15.20 mm，公称面积139 mm2，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，1 000 h后应力松弛率不大于2.5%，为高强度低松弛预应力钢绞线。设置φs15.2-19型为顶板钢束和腹板钢束，设置φs15.2-15型为底板钢束、设置φs15.2-15型为合拢钢束，设置φs15.2-3型横向预应力钢束。采用φ32 mm精轧螺纹粗钢筋为竖向预应力束，其标准强度不小于785 MPa，弹性模量2.0×105MPa。

2 挂篮悬臂法施工方案设计

a.0、1号块托架施工。

0、1号块的浇筑质量是确保悬臂施工质量的关键，对后续施工质量影响较大，需严格加以控制。托架作为0、1号块施工的关键，其主要技术要求是具有足够的强度、刚度和稳定性[5-6]。本桥0号段长8 m，1(1’)号段长3 m，其中墩顶范围的梁体采用型钢托架作为支撑体系，墩身以外梁体采用在墩柱上架设牛腿托架作为支撑体系，牛腿主纵梁采用HN400X150×138与HN300X150×9×6.5组焊，主纵梁固结端与墩身锚固连接。托架安装后，首先需对其进行预压处理，既是检验支架安全性，也可以消除非弹性变形，并实测弹性变形值，从而便于测定立模标高[7-8]。具体施工工序如图3所示。

图3 0、1号块托架施工施工工艺流程图Figure 3 Construction process flow chart of bracket of block 0 and 1

b.悬臂段挂篮浇筑施工。

本桥采用双幅结构，分4个T构同步进行，2～13号段箱梁采用悬臂浇筑方法对称施工。挂篮作为悬臂施工的重要机具，承担施工时的梁段荷载和施工荷载，所以挂篮自身的安全可靠度对桥梁施工安全和施工质量关系重大。本桥采用菱形挂篮形式，主要由主承重系统、底模系统、内外模板系统、悬吊系统、锚固系统及行走系统组成[9]，在已施工完成的0、1号段上进行拼装。在悬臂施工过程中，为确保桥梁顺利合拢和成桥线形平顺，针对各梁段的立模标高必须进行严格控制。各梁段施工流程[10]如图4所示，按图示流程进行2～13号段施工。

图4 悬浇段施工工艺流程图Figure 4 Construction process flow of suspended casting section

c.现浇段支架施工。

本桥边跨现浇段长8.84 m，高2.6 m，采用钢管支架法现浇施工，材料垂直运输采用25 t汽车吊。钢管桩设两排，钢管支架靠近的墩身一排安装于承台之上，在施工时应提前预埋好预埋钢板，最外侧一排应单独施工钢管桩基础。钢管桩基础采用条形基础，条形基础混凝土标号与承台相同，基础底部应做夯实处理，并进行地基承载力检测，检测合格后方可进行条形基础施工。现浇段支架搭设完成后，预压方案及监测措施与0号块相同，同时要对底部的钢管桩沉降进行测量。通过预压务必分析出钢管桩在承台上及土体中的沉降量的差别，调整预拱度[11]，防止梁体开裂。

d.合拢段施工[12-13]。

合拢段作为悬浇施工的最后节段，是完成结构体系转换的关键，且合拢时间和合拢顺序对整个桥梁结构的成桥线形和内力均有较大影响。本桥在施工时采取先边跨合龙、后中跨合龙的施工方式。

影响桥梁合拢的因素有很多，诸如昼夜温差、混凝土收缩徐变、水化热、体系转换和施工荷载等，这些均能直接影响合拢段混凝土，因此，应重视合拢段的施工工艺，以确保桥梁线形协调和结构受力合理。

3 桥梁结构有限元模型

a.有限元模型的建立。

采用有限元软件Midas Civil建立有限元模型进行施工过程仿真分析。该桥整体为对称结构，造型简单，主梁、桥墩均采用梁单元模拟，墩梁连接处采用弹性连接中的刚性模拟。结合悬臂施工的节段划分原则，主梁划分为86个单元和87个节点，桥墩共划分为84个单元和88个节点。全桥有限元模型如图5所示。

图5 全桥有限元模型图Figure 5 Finite element model of the whole bridge

b.施工阶段的划分,见表1。

表1 主桥施工流程及施工阶段划分Table 1 Construction process and construction stage divi-sion of main bridge号段施工阶段施工内容薄壁墩及0#块1薄壁墩及0#块施工1#块21#块浇筑混凝土并养生3张拉1#块预应力42#块拼装挂篮、绑扎2#块钢筋2#块52#块浇筑混凝土并养生6张拉2#块预应力73#块移动挂篮、绑扎3#块钢筋3#块83#块浇筑混凝土并养生9张拉3#块预应力4# ～12#块10～36按3#块施工内容对4#～12#块施工3713#块移动挂篮、绑扎13#块钢筋13#块3813#块浇筑混凝土并养生、边跨现浇段施工39张拉13#块预应力40边、中跨合拢段压重41边跨合拢段浇筑混凝土并养生合拢段42张拉边跨合拢段预应力43跨中合拢段施加顶推力44中跨合拢段浇筑混凝土并养生45张拉中跨合拢段预应力二期46二期铺装

4 计算结果及分析

a.最大悬臂阶段。

从图6可以看出，在最大悬臂状态下，单个T构的悬臂段主梁弯矩以桥墩为轴呈对称分布状态，弯矩最大值出现在墩梁结合处的悬臂根部，为147 454.9 kN·m。随着悬臂长度的增加，弯矩也逐渐减小。

图6 主梁弯矩图Figure 6 Bending moment of main beam

从图7和图8可以看出，在最大悬臂状态下，悬臂段主梁整体处于受压状态，且呈对称分布，与弯矩图对比可知，应力最大值位置与弯矩最大值位置相一致。上、下缘应力最大值均出现在墩梁结合处的悬臂根部，分别为12.4、5.1 MPa，均显著低于C55混凝土的设计抗压强度24.4 MPa。随着悬臂长度的增加，上、下缘应力均呈减小态势。

图7 上缘应力图Figure 7 Upper edge stress diagram

图8 下缘应力图Figure 8 Stress diagram of lower edge

从图9和图10可以看出，在最大悬臂状态下，悬臂段主梁呈对称分布，且有一定程度的上拱，最大值为8.0 mm，这对桥梁的后期施工和运营使用是有利的。主梁在桥墩位置有所下移，T构荷载全部由双薄壁墩承担，表明这与双薄壁墩的柔性有关。这一施工阶段对桥梁合拢有很大的影响，因此，施工过程中严格调控立模标高以确保桥梁的合拢精度和成桥线形。

图9 主梁位移有限元分析图Figure 9 Finite element analysis of main beam displacement

图10 主梁位移曲线图Figure 10 Displacement curve of main beam

b.成桥阶段。

从图11可以看出，在成桥状态下，主梁弯矩总体上呈对称分布状态，变化较为均匀，弯矩最大值出现在墩梁结合处的主梁根部，为78 783.9 kN·m，与最大悬臂状态相比，明显减小，受力更加合理。整体分布为自主梁根部向两侧逐渐减小，跨中及梁端位置弯矩均较小。

图11 主梁弯矩图Figure 11 Bending moment of main beam

从图12和图13可以看出，与弯矩图对比可知，成桥状态下的应力最大值位置与弯矩最大值位置相一致，且主梁整体处于受压状态，对称分布。上缘应力最大值均出现在7号墩的墩梁结合处中跨侧主梁根部，为10.9 MPa，下缘应力最大值均出现在8号墩的墩梁结合处边跨侧主梁根部，为6.7 MPa，均显著低于C55混凝土的设计抗压强度24.4 MPa。

图12 上缘应力图Figure 12 Stress diagram of upper edge

图13 下缘应力图Figure 13 Stress diagram of lower edge

从图14和图15可以看出，在成桥状态下，主梁位移总体呈对称分布，在自重和二期荷载作用下位移变化较小，最大值为6.7 mm，出现在墩顶位置，这与双薄壁墩的结构特点有关，柔性较大。因此，在施工过程中，及时监测并调整立模标高，合理调整合拢压重，以确保桥梁线形和结构受力。

图14 主梁位移有限元分析图Figure 14 Finite element analysis of main beam displacement

图15 主梁位移曲线图Figure 15 Displacement curve of main beam

5 结论

本文结合某大跨径连续刚构桥既定的挂篮悬臂法施工方案建立施工仿真模型，分别针对桥梁施工过程中最大悬臂状态和成桥状态下的内力、应力及位移进行分析，得到以下结论：

a.在最大悬臂状态下，主梁弯矩呈对称分布，最大值出现在墩梁结合处的悬臂根部，为147 454.9 kN·m，并向两端逐渐降低；主梁处于整体受压状态，上、下缘应力最大值均出现在墩梁结合处的悬臂根部，分别为12.4、5.1 MPa，均显著低于C55混凝土的设计抗压强度24.4 MPa；主梁有一定程度的上拱，最大值为8.0 mm，对桥梁的后期施工和运营使用有利。

b.在成桥状态下，主梁弯矩变化较为均匀，呈对称分布，最大值出现在墩梁结合处的悬臂根部，为78 783.9 kN·m，与最大悬臂状态相比，受力更加合理；主梁仍处于整体受压状态，上、下缘应力最大值仍出现在墩梁结合处的悬臂根部，分别为10.9、6.7 MPa，均显著低于C55混凝土的设计抗压强度24.4 MPa；主梁位移总体呈对称分布，最大值位于墩顶位置，为6.7 mm。

c.在施工过程中，桥梁在最大悬臂状态和成桥状态下均表现出良好的受力状态，主梁内力、应力分布较为均匀，且具有一定程度的安全储备，既是对桥梁设计合理性的验证，同时也为桥梁施工提供了理论依据。