悬浇法连续梁合龙锁定力学模型探讨
2018-01-24
(中国水利水电第十一工程局有限公司, 河南 郑州 450001)
随着国内基础设施的大力建设，跨越高速公路、河流等障碍物时已广泛使用大跨度连续梁，大部分采用悬臂浇筑法施工，合龙是悬浇法施工的关键工序，合龙锁定更是其中的重中之重。
合龙之前，合拢段两侧的梁段已经施工完成，合龙期间，会因为已浇梁段的热胀冷缩，导致合拢段的两侧受到拉力或者压力，新浇混凝土强度低，尤其抗拉能力更弱，若不采取锁定措施或措施不到位，都会引起合拢段的结构开裂。
本文的力学分析思路采用变形协调原理，结合已建成的京沪高铁黄河南引特大桥＂——47#～50#跨北绕城高速(40+56+40)m连续梁作为实例，通过对典型悬浇法连续梁边跨、中跨合龙锁定力学分析，为类似工程提供参考。
1 边跨合龙锁定
1.1 边跨合龙工序
挂篮及模板就位→绑扎钢筋、安装预应力管道→安装劲性骨架→“T”悬臂端压配重→浇筑合拢段砼→砼养生至设计张拉强度→拆除内模板→按设计要求解除锁定→张拉剩余合拢束并压浆。锁定选用劲性钢支撑外部锁定形式，但是现在主墩上临时支座未解除，边跨合龙形象见下图1-1
图1-1 边跨合龙示意图
1.2 理论模型建立
位于48#墩顶的临时支座尚未解除，可以认为此时48#墩与梁部固结。
位于47#墩上的48-8#边跨现浇段，梁段由于支座的摩擦系数远小于混凝土梁段与钢模板之间的摩擦系数，趋于保守考虑，可以认为全梁段为混凝土与钢模板的摩擦力为主，若边跨现浇段48-8#块与钢模板的摩擦力足够大时，能抵抗整个边跨梁段的温度变形产生的内力，可简化为47#墩与梁体固结，此时力学简图如下图1-2
图1-2 现浇段摩擦力大于温度内力时边跨现浇段力学简图
若边跨现浇段 48-8#块与钢模板的摩擦力不能抵抗整个边跨梁段的温度变形产生的内力，可简化为47#墩与梁体铰接，此时力学简图如下图1-3
图1-3 现浇段摩擦力小于温度内力时边跨现浇段力学简图
1.3 温度应力分析和计算
为简化计算，将温度变化产生的轴向力按线膨胀计算，并将变截面箱梁分段按其平均截面计算。
设梁升温△t时产生的自由伸长量为△lt，由于两端约束产生的缩短为△lN，则：
因αg＝αh，有
又
假设两墩身无变位，则按变形协调原理，有：
△lt＝△lN(1-4)
由式(8-2)，式(8-3)和式(8-4)可得：
式中：N—梁因升温所受的轴向力；
αh,αg—分别为混凝土和钢的线膨胀系数；
Eg,,Eh—分别为钢和混凝土的弹性模量；
根据当地气象局提供的常年月气温，得到现场温度统计表(见表1-1)。
项目 1月 2月3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月12月平均最低温度（℃） -5 -2 4 11 17 21 23 22 17 11 4 -2平均最高温度（℃） 4 7 13 22 27 32 32 31 27 21 13 6
表1-1 当地常年月气温统计表
在桥墩48 和49 主墩位置设置了临时固结装置，箱梁截面特性统计表，如表1-2所示。
节段号节段长度 平均截面积（m） （mm2） （10-11m/N）0（1/2） 4.5 15512667 1.450 1 3.5 14528571 1.205 2 3.5 13738000 1.274悬臂浇筑段3 3.5 12715714 1.376 4 4 11400250 1.754 5 4 10504250 1.904 6 4 10270750 1.947合拢段 7 2 10271000 0.974支架直线段 8 11.75 10912255 5.384
表1-2 （40+56+40）m连续箱梁截面特性
假设两墩身无位移，则依变形协调原理和图3所示的力学模型，依据公式(1-5)：
1.4 边跨摩擦力计算
N=μG=3529kN
G—边跨现浇段重量，为3330kN；
μ—钢与混凝土摩擦系数，考虑边跨现浇段最大静摩擦力选取为1.06。
1.5 分析及验算
此时边跨摩擦力大于温度应力，应按照图1-2受力模式进行验算，此时只需考虑温度内力。而当桥梁边跨较大，而温度内力大于边跨摩擦力时，按图1-3进行验算，只需考虑摩擦力。
验算时需考虑钢支撑的稳定性、焊缝的强度、钢支撑是否能抵抗临时束的张拉力、温度内力导致锁定钢支撑的变形是否小于合拢段混凝土不开裂的容许应变。
1.2.1 锁定钢支撑稳定验算
劲性钢支撑设置：边跨现浇段及 6号块梁段顶部及其梁段内侧各预埋 4块500mm宽，1000mm长，20mm厚钢板做板面的预埋件，劲性钢支撑采用2Ⅰ25b工字钢焊接而成。
Ⅰ25b工字钢A=53.51cm2，ix=9.93cm，iy=2.36cm，
两端刚结，计算长度系数取0.5，偏于安全取0.65，
λ--- 长细比；
---稳定系数；
满足要求。
1.2.2 焊缝强度验算
双25工字钢与钢板焊接长度按8.4m计算，焊缝抗剪强度按160MPa，焊缝宽度按6mm控制，总焊缝强度为：
F= 160×6×8400=8064kN ＞2179.399kN,故焊缝能够满足强度要求。
1.2.3 抵抗临时束张拉力验算
边跨合拢段张拉临时束T9、B12左右各一束，张拉力大小为
1.2.4 抵抗合拢段变形验算
ε= N/AEg＜εh；
Eg---为劲性骨架的弹性模量；
εh---混凝土为混凝土结构设计规范规定的混凝土极限压应变。
2 中跨合龙锁定
2.1 中跨合龙工序
此时主墩上临时支座已经解除，中跨合龙形象见下图2-1
图2-1 中跨合龙示意图
2.2 理论模型建立
位于49#墩顶的为固定支座尚已解除，可以认为49#墩与梁部为固结。
位于 48#墩顶的临时支座尚已解除，位于 47、48#墩上的为悬臂简支结构，梁段顺桥向约束以支座的摩擦力为主，若支座的摩擦力足够大时，能抵抗整个中跨梁段的温度变形产生的内力，可简化为48#墩与梁体固结，此时力学简图如下图2-2
图2-2 现浇段摩擦力大于温度内力时边跨现浇段力学简图
若简支悬臂梁支座的摩擦力不能抵抗整个中跨温度变形产生的内力，可简化为48#墩与梁体铰接，此时力学简图如下图2-3
2.3 温度应力分析和计算
为简化计算，将温度变化产生的轴向力按线膨胀计算，并将变截面箱梁
图2-3 现浇段摩擦力小于温度内力时边跨现浇段力学简图
分段按其平均截面计算。则连续梁合拢段施工的温度应力计算图式按图2计算。设梁升温△t时产生的自由伸长量为△lt，由于两端约束产生的缩短为△lN，则：
因αg＝αh，有
又
假设两墩身无变位，则按变形协调原理，有：
△lt＝△lN(2-4)
由式(8-2)，式(8-3)和式(8-4)可得：
式中：N—梁因升温所受的轴向力；
αh,αg—分别为混凝土和钢的线膨胀系数；
l, lh,, lg—分别为合拢跨总长，悬臂灌注段长度及合拢口的钢支撑长度；
依据公式(2-5)：
2.4 中跨摩擦力计算
N=μG=0.05*2166400*9.8=1061.5 kN
G—承重为全桥除去中跨合拢段梁体重量的1/2；
μ—由支座厂家提供的支座活动摩擦系数为 0.02，最大静摩擦摩擦系数为0.05。
2.5 分析及验算
此时梁段的摩擦力小于温度应力，应按照图 2-3受力模式进行验算，此时只需考虑摩擦力。
验算时同边跨一样，需考虑钢支撑的稳定性、焊缝的强度、钢支撑是否能抵抗临时束的张拉力、温度内力导致锁定钢支撑的变形是否小于合拢段混凝土不开裂的容许应变。具体验算不再赘述。
3 结语及注意事项
合龙前，应连续实测当地气温的变化情况，并关注天气预报。合龙焊缝很长，，最好在合龙前锁定钢支撑一侧焊接完毕，留下另一端自由端，配备足够资源，保证在最低温度下及时焊接完毕。
前后有数座同类型桥梁也按照同样方式进行合龙锁定计算，桥梁已经顺利合龙并顺利投入运营数年，但是需要注意的是，合拢段的裂缝产生原因还有混凝土配合比、养护、预应力等很多影响因素仍需引起足够重视。
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