赵瑞鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



连续刚构桥与连续梁桥线形监控影响因素对比分析

赵瑞鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：为对比研究连续刚构桥和连续梁桥施工监控中的主要影响因素,对相同梁部结构的连续刚构体系和连续梁体系进行有限元建模,分析设计参数、预应力张拉阶段及合龙工序对梁体累计位移的影响,将梁体累计位移和合龙口两端的累计位移差作为线形监控难度的控制标准,对各种影响因素进行综合分析和评价。研究发现,相对于连续梁桥,预应力效应和合龙工序对连续刚构桥的影响较小。根据分析结果,指出预应力张拉时的结构体系对连续梁体系桥梁的累计位移影响较大,进一步分析了影响原因并提出较合理的合龙工序。

关键词：连续刚构桥；连续梁桥；施工工序；累计位移；线形；监控

连续刚构桥由于其施工过程中不发生体系转换、适于悬臂施工而成为大跨度桥梁非常有竞争力的桥型。在跨越较宽的山谷和河流时经常采用多跨连续刚构桥，其悬臂施工需要经过复杂的施工过程，而合龙段的施工是大跨度连续刚构桥施工的重要环节，多跨连续刚构桥合龙顺序的差异是影响合龙后梁体线形及应力的重要因素之一。在桥梁合龙阶段，施工工序的差异会对桥梁结构的累计位移[1]及成桥内力[2，3]产生影响，施工工序包括合龙段的合龙顺序、预应力张拉顺序等[4]。为保证悬臂施工过程中的梁体线形，需要对连续刚构桥进行线形监控[5]，在悬臂施工过程中设置合适的预拱度以消除施工过程中发生的位移。预拱度的主要计算依据为桥梁成桥阶段的累计位移[6]，故本文将梁体施工过程的累计位移和合龙口两端的累计位移差作为线形监控的难度的控制指标。

研究表明，不同的合龙工序对悬臂施工桥梁的成桥内力以及累计变形有较大的影响[7-12]，目前针对合龙工序对连续梁桥变形和内力影响的研究较多[7，8]，对连续刚构桥影响的研究较少。本文将对连续梁桥和连续刚构桥进行对比分析，分析两种桥型的线形监控难度影响因素。

王学华[8]对合龙顺序对连续梁桥的影响进行了研究，研究得出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。易锦[9]以一座12跨刚构-连续组合梁桥为工程背景，探讨了合龙次序和体系转换顺序对该类桥梁的受力和变形规律。彭琳琳[10]对嘉绍大桥主航道桥的合龙工艺、合龙顺序进行了研究。研究确定该桥按照无应力状态几何控制法进行顶推合龙施工的方案。陈淮[11]探讨了主梁合龙顺序、边跨现浇段满堂支架拆除时机和主梁中跨合龙段顶推力的优化调整等关键技术问题。陈列[12]针对复杂山区铁路大跨度预应力混凝土桥选用连续梁桥式还是连续刚构桥式的方案设计问题，结合渝怀铁路具有代表性的几座桥梁设计，对桥式方案的比选，以及中跨与边跨合理的合龙顺序进行了研究。

为对比研究施工工序对连续刚构桥和连续梁桥的影响，对比分析连续刚构体系和连续梁体系受预应力张拉顺序等的影响程度，以一座(65+2×112+65) m连续刚构桥为例，分析了施工工序对连续刚构桥的影响，并且将连续刚构桥与连续梁桥进行对比，探讨施工工序对连续刚构桥与连续梁桥线形影响。

1工程背景

某铁路(65+2×112+65) m连续刚构桥，梁段按照施工顺序划分为19种95个梁段，刚构墩顶0、0′号段长11 m，1～5号梁段长3.0 m，6～8号梁段长3.5 m，9～14号梁段长4.0 m，15号梁段长3.0 m，为边跨侧非对称悬臂施工超打节段，16、16′号梁段为合龙段，梁段长2.0 m，17号梁段为边支点现浇段，梁段长5.8 m，其中采用挂篮施工的最重梁段为1号梁段，重约1 800 kN。边跨侧悬臂最大为15段，中跨侧悬臂最大梁段数为14段。该桥桥型布置如图1所示。

图1　(65+2×112+65) m连续刚构桥桥型布置(单位：cm)

本桥采用挂篮悬臂施工方式，由于单侧边墩较高，设计合龙顺序为悬臂施工到14号梁段→中跨合龙→边跨悬臂施工15号梁段→边跨合龙。

2有限元模型

采用桥梁博士软件对该桥进行了建模，根据设计图反映的内容，对全桥总体结构建立能反映施工荷载的有限元模型，对该桥进行了正装分析，得到各阶段主梁变形状态。计算模型中根据悬臂施工梁段的划分、支点、跨中、截面变化点等控制截面将全桥划分为168个节点和167个单元。有限元模型如图2(a)所示。

为对比分析预应力张拉顺序对连续刚构桥和连续梁桥的影响，建立了结构尺寸、预应力钢束布置、施工步骤等与连续刚构桥上部结构完全相同的连续梁桥，连续梁桥模型如图2(b)所示，共划分为131个节点、130个单元。

图2　有限元模型

3参数敏感性分析

在桥梁悬臂施工线形监控过程中，有很多因素会影响桥梁的成桥累计位移和施工过程中的预拱度值，如：材料弹性模量，材料容重，收缩徐变，预应力效应等，这些设计参数的的变化会使桥梁实际变形与理论变形产生误差，从而影响预拱度的设置。为了解设计参数对线形监控的影响程度，在原设计参数的基础上，将设计参数增大和减小10%，分析各个参数的影响程度，仅给出各个参数增大10%的分析结果，为对比分析连续刚构桥和连续梁桥受设计参数影响的程度，对两种体系按照原设计施工工序均进行了参数敏感性分析，分析结果如图3所示。

图3　设计参数对累计位移的影响

由图3可以看出，各结构参数对连续刚构桥和连续梁桥累计位移的影响有一定的差异。

(1)对于连续刚构体系，预应力效应增加使梁体累计位移总体上移，对梁体的最大位移影响最大；容重增加使梁体总体下移，对梁体的最小位移影响最大。对比原设计参数结果，可以发现参数的变化没有改变梁体的位移变化趋势，且对连续刚构桥累计位移的影响不大，基本与参数变化量相同，在10%左右；连续刚构桥合龙口两端的累计位移差主要由不平衡梁段的自重引起。

(2)对于连续梁体系，由于先合龙中跨，预应力效应增加了中跨向上的位移，但增加了边跨悬臂端的向下的累计位移；其余参数对连续梁体系的影响基本与连续刚构桥一致。

(3)由于连续刚构桥有限元建模需要考虑桥墩弯曲的影响，施工过程中由梁的自重对桥墩产生轴力引起桥墩的弹性压缩。而连续梁也存在此部分桥墩的压缩变形，但连续梁的桥墩不存在弯曲变形，其影响较小，故连续梁桥模型中未考虑桥墩的影响。

4预应力张拉阶段调整对累计位移的影响

合龙段预应力的张拉工序是连续刚构桥施工中非常关键的环节。为了探究施工过程中预应力张拉工序对连续刚构桥累计位移的影响，不改变原设计的预应力钢束布置，仅改变预应力钢束的张拉顺序，原设计张拉方案为中跨合龙后，张拉所有中跨预应力钢束；对比方案为中跨合龙后张拉50%预应力钢束，分析对比预应力张拉顺序对连续刚构桥累计位移的影响，分析结果如图4所示。

图4　预应力张拉阶段调整对连续刚构桥累计位移的影响

为对比分析预应力张拉顺序对连续刚构桥和连续梁桥的影响，建立了结构尺寸、预应力钢束布置、施工步骤等与连续刚构桥上部结构完全相同的连续梁桥，其预应力张拉顺序也分别采用中跨合龙完张拉全部钢束和张拉50%钢束两种方案，等跨连续梁的分析结果如图5所示。

图5　预应力张拉阶段调整对连续梁桥累计位移的影响

由图4、图5可见。

(1)改变预应力钢束的张拉阶段对连续刚构桥的影响较小，边跨侧向下的位移由原设计值6.05 cm增加为6.76 cm；中跨侧的位移变化很小。

(2)改变预应力的张拉阶段对同等跨度的连续梁桥的影响较大，边跨侧向下的位移由原设计值13.4 cm减小为8.84 cm；中跨侧向上的位移由原设计值4.36 cm减小为2.09 cm，中跨合龙后仅张拉部分预应力钢束将减小梁部结构的累计位移值，且减小了合龙口两侧的累计位移差，施工阶段合龙口两侧设置的预拱度差值也较张拉全部预应力束的小，故施工监控的难度相对也小一些。

(3)对比连续刚构桥和连续梁桥的累计位移结果可见，由于改变预应力张拉阶段，连续梁仅考虑弯矩项的影响即可，而连续刚构桥除了引起位移的弯矩项外，还需要考虑梁的轴向缩短引起的刚构墩和梁的弯曲变形，连续梁桥及连续刚构桥在中跨合龙段预应力引起的变形如图6所示。

图6　中跨合龙段预应力引起的变形

对于连续梁桥仅需要考虑图6(a)所示的梁部弯曲变形，故张拉100%和50%的中跨合龙段预应力相比，连续梁梁体的累计位移相差较大；而连续刚构桥需要考虑图6中的两种情况，而两种情况下的位移方向相反，数值较为接近，故张拉100%和50%的中跨合龙段预应力相比，连续刚构桥梁体的累计位移相差较小。

5合龙顺序对累计位移的影响

桥梁结构的合龙顺序在连续刚构桥施工过程中至关重要。由于合龙顺序的不同，施工过程中的结构体系将有很大的差异，各种不同的结构体系在受力变形上也有较大的差异。合龙顺序若发生改变，桥梁的累计位移可能会发生很大甚至方向上的差异。

对于4跨连续刚构桥，目前常见的合龙顺序有两种：方案1先边跨再中跨合龙；方案2先中跨再边跨合龙。该桥原设计方案采用的是先中跨再边跨合龙的合龙顺序，为对比分析合龙顺序对桥梁结构的影响，分别对连续刚构桥和同等上部结构的连续梁桥按照方案1和方案2进行了分析，合龙完即张拉该合龙段的全部预应力钢束，分析结果如图7所示。

图7　合龙顺序对累计位移的影响

由图7可见：

(1)改变合龙顺序对连续刚构桥的影响不大，两种情况下的变形趋势及变形值均相差不大。

(2)改变合龙顺序对连续梁桥的影响较大，先中跨合龙方案的累计位移较大，且边跨合龙口两端的累计位移差较大，累计位移差最大为13.95 cm，先中跨合龙的连续梁的线形监控难度相对较大；先边跨合龙的连续梁累计位移较小，边跨合龙口两端的位移差仅为1.3 cm，对于连续梁桥，在条件允许的情况下先合龙边跨可以大大降低线形监控中预拱度设置和预测的难度。

(3)由于连续梁结构先合龙中跨后张拉所有预应力钢束，张拉钢束时的结构体系为简支带两端悬臂梁，边跨合龙口两侧的累计位移差主要由预应力弯曲变形引起，对于连续梁体系，若先合龙中跨，可在满足施工过程中应力和结构安全的前提下，张拉部分中跨合龙段预应力钢束，以减少其对边跨合龙口两端累计位移的影响。

6结论

对相同上部结构的连续刚构桥和连续梁桥建立了有限元模型，分析了设计参数、预应力张拉阶段和合龙顺序对两种体系施工监控难度即累计位移和合龙口两端位移差的影响，主要结论如下：

(1)除预应力效应外，各设计参数对连续梁桥和连续刚构桥的累计位移影响基本相同；

(2)由于在预应力作用下，连续刚构桥梁部变形需要综合考虑梁部弯曲变形及刚构墩受梁的轴向缩短引起的弯曲效应的影响，调整预应力张拉阶段对连续刚构桥的梁部变形影响不大；

(3)预应力张拉阶段的调整对连续梁桥的影响较大，在条件允许的情况下建议采用先边跨合龙的施工顺序；若仅能采取先中跨合龙，可以张拉部分预应力钢束，在全桥合龙后再张拉剩余钢束以降低线形监控的难度；

(4)对于悬臂施工的桥梁结构，可在设计阶段调整预应力的张拉阶段及合龙工序，以使得梁体的累计位移最小且合龙段两端的累计位移差较小，从而降低线形监控的难度。

参考文献：

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Comparative Analysis of the Influence Factors on the Linear Monitoring of Continuous Rigid Frame Bridge and Continuous Girder BridgeZHAO Rui-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Finite element models of continuous rigid frame system and continuous beam system with the same beam structure are established in this paper to conduct a comparative study on the dominant influencing factors involved in the construction monitoring of rigid frame system and continuous beam system bridges, and the influences of design parameters, tensioning stage and closure procedure on the cumulative displacement of girder. The cumulative displacement of girder and the cumulative displacement difference of both sides of the final closures are set as control standards to classify the linear monitoring difficulty and the various involved influencing factors are comprehensively analyzed and evaluated. The results indicate that the pre-stressing effect and the closure process have little influence on the continuous rigid frame bridge compared to the continuous girder bridge. The results of the analysis show that the structural system formed according to different prestress tension process has bigger influence on the cumulative displacement of continuous girder bridge. The influencing factors are further analyzed for reaching an appropriate closure procedure.

Key words：Continuous rigid frame bridge; Continuous girder bridge; Construction procedure; Cumulative displacement; Linear; Monitoring

中图分类号：U445

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.016

文章编号：1004-2954(2016)02-0077-04

作者简介：赵瑞鹏(1985—)，男，工程师，2010年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士。

收稿日期：2015-07-13； 修回日期：2015-07-27