罗泽辉，李冲杰

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都　610031；2.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明　650200)



顶推施工中支座脱空对混凝土箱梁受力性能的影响分析

罗泽辉1，李冲杰2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；2.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明650200)

摘要：在顶推施工过程中，由于滑道高程控制不精确、施工管理不当等因素会导致支座脱空，从而导致支反力的重分布，某些支座支反力必然增加，在支撑位置附近局部应力会比较突出，所以有必要研究支座脱空对混凝土箱梁受力性能的影响。结合某预应力混凝土连续箱梁桥顶推施工实例，通过建立三维有限元实体模型，选取某工况下的支座发生脱空进行分析。计算结果表明：支座脱空对支座支反力及箱梁的局部应力影响比较大，减小了顶板受拉和底板的受压安全储备，梁体下挠位移增大，增加了摩阻力，应在施工过程中严密监控支座，避免发生支座脱空。

关键词：混凝土箱梁；顶推施工；支座脱空；受力性能

随着现代工程技术的快速发展，新的施工技术和方法广泛应用到桥梁建设中来，顶推施工方法就是桥梁建设中常用的施工方法之一[1-5]。顶推施工过程中，结构体系不断发生变化，主梁各截面要反复经历正负弯矩的变化，对施工控制的要求较高[6，8]。但由于滑道高程控制不精确、施工管理不当等因素有可能导致支座脱空，从而导致支反力的重分布，某些支座支反力必然增加，在支撑位置附近局部应力会比较突出。经查阅相关文献，发现没有对此类问题展开详细研究，所以有必要研究支座脱空对PC箱梁受力特性的影响。结合某预应力混凝土连续箱梁桥顶推施工实例，通过建立三维有限元实体模型，选取某工况下的支座发生脱空进行分析。

1支座脱空的原因及后果

1.1支座脱空的原因

顶推施工中发生支座脱空的原因有以下几方面：(1)与梁底板接触的支座高程不准确，设计中考虑不周，或者桩的施工质量有差异，导致各桩的沉降量有差异，进而引起支座高程的变化；(2)梁底板不平顺，在浇筑梁体时，由于施工控制质量不严或模板粗糙等原因造成底板不平整，梁节段拼接不平顺，致使梁底部不能与支座密切贴合在同一水平面；(3)在顶推施工过程中，操作人员操作不当，如填喂滑块的厚度未按要求、拖拉不同步造成的支座脱空；(4)还有临时支撑和滑道的施工控制质量的好坏同样会造成支座脱空[9-11]。

1.2带来的后果

支座起到将上部结构的荷载传递到下部结构。如果支座有所变化，使桥梁结构体系产生变化，将对上部结构和下部结构产生不利影响，进而会影响到桥梁结构的安全。支座脱空，必然造成某些支座的支反力增加，造成梁体局部应力偏大，甚至产生屈曲和裂缝，使结构处于不安全状态；支反力过大，也有可能造成临时滑道发生屈曲；对于下部结构，桥墩只有一侧受摩擦力，导致桥墩受扭，不利于顶推施工；延误工期、增加了施工成本。

2工程概况

主桥为预应力混凝土连续箱梁桥，孔径布置为(39+60+36) m，其中主跨60 m跨既有铁路，桥跨布置如图1所示。箱梁结构采用单箱三室、等高度截面，梁平均高度为3.43 m，箱梁顶面设2%的横坡，截面中心处梁高3.56 m，1/2箱梁横截面见图2。该桥采用顶推法施工，预应力混凝土箱梁长80 m，悬臂钢导梁长36 m，顶推距离为102 m，最大顶推跨径为54 m。其上部结构总质量达5 600多t，本次顶推施工利用6台5 000 kN顶力的千斤顶，最终实现PC箱梁横跨既有铁路线。

图1　桥跨总体布置(单位：cm)

图2　1/2箱梁横截面(单位：cm)

3三维有限元实体模型的建立

由于有限元杆单元无法模拟，所以须建立三维有限元实体模型，ANSYS是进行结构有限元分析的有效工具，它有着大量的单元可供选择，并具有非常完备强大的前处理和后处理功能，可用于预应力混凝土结构的计算分析[12]。

3.1单元材料特性

因为混凝土连续箱梁其受力比较复杂，因此为了比较精确和真实地反映混凝土箱梁的局部应力，对跨既有铁路桥顶推施工应力的分析选用 ANSYS[13，14]建立空间有限元模型。建模单元选择：(1)空间实体单元 Solid45：模拟混凝土箱梁；(2)空间杆单元 Link8：模拟预应力筋；(3)壳单元Shell63：模拟导梁。3种计算模型材料特性见表1。

表1　计算模型材料特性

3.2预应力筋的模拟

在ANSYS中，常用的PC梁分析方法有等效荷载法和实体力筋法，对于复杂的预应力混凝土模型，通常选用实体力筋法，实体力筋法建模有实体分割法、节点耦合法和约束方程法。约束方程法的基本思路是分别建立混凝土梁和预应力筋，然后进行网格划分，不同的是约束方程法是混凝土单元节点和预应力筋单元节点之间建立约束方程，只需选择预应力筋上的节点，用命令自动选择附近混凝土单元上的数个节点，设置在容差范围，在该范围内与预应力筋的一个节点建立约束方程，因为混凝土单元节点较多，所以就有多组约束方程，通过约束方程将预应力筋单元和混凝土单元连接为整体。对比节点耦合法，约束方程法建模更为简单、更符合实际情况、计算效率也更高和计算结果也更为精确。本桥的预应力筋模型采用约束方程法，预应力筋模型见图3。

图3　预应力筋单元

3.3导梁与混凝土梁的连接方法

顶推施工钢导梁采用板壳单元，混凝土梁采用3D实体单元。板壳单元与3D实体单元用节点建模时可认为其连接是铰接，而做刚性连接的处理可通过约束方程或者采用创建刚性区自动建立约束方程来实现。采用约束方程法来实现，它是在界面上自动生成约束方程，将两个具有不同网格的区域通过约束方程联系起来，即通过所选择某个区域的节点与另外区域的所选择的单元建立约束方程。节点从网格密度大的区域(混凝土单元)选择，而单元则从网格密度小的区域(预应力筋单元)选择，混凝土节点的自由度用预应力筋单元节点的自由度内插建立约束方程，内插方法采用预应力筋单元的形函数。三维实体有限元模型见图4，其中X方向为横桥向，Y方向为竖桥向，Z方向为纵桥向。

图4　空间有限元模型

4计算结果分析

4.1支座脱空对支反力的影响

在顶推过程中，发现某些支座有脱空现象，每个桥墩上有两个支座，用梁单元无法准确模拟支座脱空，只有建立在实体模型下，才能准确模拟支座脱空对顶推施工的影响。研究箱梁顶推37 m时(图5)，3号临时墩上右侧支座发生脱空，设无支座脱空为工况1，发生支座脱空为工况2，支反力变化结果如表2所示。施工由于临时墩与永久墩之间跨度小，且临时墩与永久墩之间用钢桁架相连，增加了稳定性，计算结果不考虑临时墩与永久墩之间的刚度差带来的影响。

表2　两种工况下的支反力　kN

注:每个墩上放置2个支座，L代表左边支座支反力，R代表右边支座支反力

图5　顶推立面布置(单位：cm)

由表2可知：工况1与工况2对比分析，支座脱空对支反力有较大影响，7号永久墩的左侧支座支反力增加了167%，右侧也出现了支座脱空现象。

4.2支座脱空对箱梁局部应力影响

由表2可知，支座脱空对支反力的影响较大，为了更进一步了解支座脱空下混凝土箱梁的应力状态，必须进一步研究支座对混凝土箱梁的作用。两种工况下的Z向正应力如图6、图7所示。

图6　工况1主梁Z向正应力云图

图7　工况2主梁Z向正应力云图

由应力云图可知，最大正应力发生在支座附近，为研究方便，纵桥向正应力只提取3号墩前后4 m，纵桥向的正应力和横桥向的正应力对比分析结果如图8～图11所示，其中支座位于Z方向4 m，X方向4 m和11 m。

图8　顶板Z方向应力对比

图9　顶板X方向应力对比

图10　底板Z方向应力对比

图11　底板X方向应力对比

由图8～图11可知，支座脱空对箱梁局部应力影响较大，对于顶板，工况1时Z方向最大正应力为-0.71 MPa，X方向最大正应力-1.49 MPa；对于发生支座脱空的工况2时Z方向最大正应力为1.49 MPa，X方向最大正应力0.76 MPa。对于底板，工况1时Z方向最大正应力为-18.18 MPa，X方向最大压应力-8.33 MPa；对于发生支座脱空的工况2，Z方向最大正应力为-22.33 MPa，X方向最大压应力-10.32 MPa。

4.3支座脱空对箱梁位移影响

位移结果提取的范围与应力一样，其计算结果如图12、图13所示。

图12　Z方向位移对比

图13　X方向位移对比

由图12、图13可知，支座脱空对箱梁位移影响较大，工况1时Z方向最大负位移为-3.99 mm，X方向最大负位移-1.05 mm；对于发生支座脱空的工况2，Z方向最大负位移为-5.92 mm，X方向最大负位移为-17.33 mm。

5总结及建议

(1)支座脱空对支座支反力影响较大，支座左右支反力不同，进而导致摩擦力不一样，使墩受扭，出现不同步现象，造成梁体横向偏移，形成恶性循环，所以支座脱空带来的后果非常严重，在顶推施工中应禁止出现支座脱空现象。

(2)支座脱空对箱梁的局部应力影响比较大，减小了顶板受拉和底板的受压安全储备，应在施工过程中严密监控支座，避免发生支座脱空。

(3)考虑到顶推过程支座受力不均匀的影响，在设计中需考虑增加临时墩及梁体的安全储备系数。

(4)支座脱空对箱梁的位移影响较大，尤其是下挠位移，增大了水平分力，不利于梁体拖行。

(5) 对于已发生支座脱空的情况，应及时用楔形结构进行填塞，降低支座脱空带来的隐患。

(6)在顶推施工中，支座脱空有可能虚接触，要以滑块是否滑动作为判断依据，当梁体在滑动，滑块不动的情况下表明已经脱空。

(7)在顶推施工前，应对顶推施工操作人员进行培训，做好技术交底，按要求进行施工，及时发现、反馈问题。

参考文献：

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[14]邵旭东.桥梁设计百问[M].北京:人民交通出版社，2003.

Influences of Bearing Cavity on the Mechanic Performance of Concrete Box Girder during Incremental Launching

LUO Ze-hui1， LI Chong-jie2

( 1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China; 2.Kunming Survey & Design Research Institute of CREEC， Kunming 650200， China)

Abstract：During incremental launching， the inaccurate control of slide elevation and improper construction management may lead to bearing disengaging， which results in redistribution of the reaction force and inevitable increase of some support reaction， thus， local stress is obvious near the support location. So it is necessary to study the effect of the bearing disengagement on the mechanic performance of the concrete box girders. Based on the practice of incremental launching of a certain pre-stressed concrete continuous box girder bridge， a three-dimension finite element solid model is established and bearing disengagements under certain working conditions are analyzed. The results of the calculation indicate that the influence of bearing cavity on support reactions of concrete box girders and the local stress is relatively remarkable and the safety reservation of the roof and floor is reduced， and the beam displacement is enlarged and friction is increased as a consequence. Thus， bearings should be closely monitored in the construction process to avoid bearing cavity.

Key words：Concrete box girder; Incremental launching; Bearing cavity; Mechanic performance

文章编号：1004-2954(2016)05-0064-05

收稿日期：2015-10-08； 修回日期：2015-10-19

作者简介：罗泽辉(1982—)，男，工程师，2009年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail:zhluo2006@163.com。

中图分类号：U445.462

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.014