先简支后连续分体式箱梁桥简支转连续施工方案研究

李静斌,葛素娟,陈 淮

(郑州大学土木工程学院,河南郑州450001)

摘 要:以郑少高速公路甄坟沟大桥为工程背景,考虑分体式箱梁桥简支转连续施工过程的横向整体与纵向整体2类(8种)施工方案,利用有限元软件M ID AS/Civil 建立全桥空间有限元计算模型,分别对2类(8种)施工方案的施工工序进行施工过程仿真分析。计算结果表明:从简支转连续施工过程中的主梁结构内力变化考虑,横向整体施工方案优于纵向整体施工方案,并且横向整体施工方案中先两端后中间的纵向连接工序(横C)为最优施工顺序。

关键词:桥梁;分体式箱梁;有限元法;简支转连续;施工顺序中图分类号:U 448.213;U 445.46

文献标志码:A

文章编号:1671-7767(2010)03-0012-04

收稿日期:2009-08-19

基金项目:河南省杰出人才计划项目(084200510003)

作者简介:李静斌(1973-),男,副教授,1995年毕业于郑州大学建筑工程专业,工学学士,1998年毕业于西安建筑科技大学结构力学专业,工

学硕士,2006年毕业于同济大学结构工程专业,工学博士(E mail:lijingbin@zz u.edu.cn)。

1 引 言

目前先简支后连续预应力混凝土分体式箱梁桥在我国高速公路桥梁建设中已逐步得到应用和推广,这种桥型既具有箱梁整体性好、刚度大、抗扭性能高、横向连接可靠、结构耐久性好等特点,同时又具有连续梁桥的优点,能够适当降低梁高,形成合理的受力体系,是一种先进的桥型[1,2]

。

在先简支后连续桥梁的体系转换过程中,负弯矩预应力钢束的二次张拉、施工支承条件的改变、横向湿接缝与纵向湿接缝的浇筑顺序,均会导致主梁内力的变化,并且这种内力的变化是同施工顺序相关的。因此,在先简支后连续桥梁的体系转换过程中,需要选择确定最优施工方案及最优施工工序。目前,国内已有一些文献对此开展了研究,但现有的研究成果主要针对先简支后连续T 梁桥、空心板桥及单箱单室梁桥[3~5],部分研究以分体式箱梁桥为研究对象,但仅研究了沿桥纵向不同的预应力张拉顺序对上部结构内力的影响,而对于分体式箱梁桥的一大显著特点 沿桥横向也存在湿接缝浇筑顺序的问题并未作进一步的探讨[6,7]。本文依托郑少高速公路甄坟沟大桥 四跨先简支后连续分体式箱梁桥,对其施工过程中备选的2类(横向整体与纵向整体,8种)施工方案对结构内力的影响,进行分析与研究。2 工程概况

甄坟沟大桥是郑州至少林寺高速公路全线惟一

的一座先简支后连续分体式箱梁桥。该桥分上、下两幅,每幅宽12.5m,每幅桥由4 40m 的预应力混凝土分体式箱梁横向组合连接构成。该桥共4孔1联,总长度160m(见图1)。

图1 甄坟沟大桥立面示意

桥梁上部结构采用先简支后连续预应力混凝土分体式组合箱梁,单片梁高1.8m,梁间距3.0m (见图2)。各片箱梁在预制场完成一期预应力张拉后吊装支承于临时支座上,通过在沿桥横向浇注宽1.0m 的梁端湿接缝并张拉顶板二期预应力实现纵向连续结构,并通过在沿桥纵向浇注宽0.8m 的翼缘湿接缝实现横向整体结构。沿桥纵向一期预应力筋布置在各片箱梁腹板中心线部位,单根长3847~3900cm,边跨箱梁12组,中跨箱梁8组,采用内径55m m 圆形波纹管,OVM 15 5锚具;沿桥纵向二期预应力筋布置在箱梁顶板部位,单根长1698~2498cm,边跨及中跨箱梁均为5组,采用90mm 19m m 椭圆形波纹管,OVM BM15 5锚具。预应力钢束均采用5 j

15.24高强度低松弛预应力钢绞线,标准强度为1860M Pa,弹性模量1.95 105MPa,控制张拉力为标准强度的75%,采用两端张拉,应

力、应变双控制,后张法施工。沿桥翼缘纵向湿接缝处布置普通钢筋。

3 简支转连续施工方案

3.1 横向整体施工方案

横向整体方案是先分跨浇注翼缘纵向湿接缝,将4片箱梁结合为横向整体结构,然后再浇注梁端湿接缝,张拉二次预应力。在横向整体方案中又分横A、横B、横C、横D4种施工方案,具体划分见表1。3.2 纵向整体施工方案

纵向整体方案是先浇注梁端湿接缝,形成每片箱梁的纵向连续整体结构,并施加二次预应力,然后再浇注翼缘湿接缝。在纵向整体方案中又可以分纵A、纵B、纵C、纵D4种施工方案,具体划分见表1。

4 有限元仿真计算结果及其分析

采用有限元软件M IDAS/Civ il建立全桥整体空间有限元模型,对比以上2类(8种)施工方案在简支转连续过程中对该桥上部结构受力的影响。桥梁上部结构采用梁格法建模,盖梁、桥墩、墩间系梁均采用考虑剪切变形的空间梁单元离散,并根据设计图纸输入全桥预应力钢束。全桥共划分871个空间梁单元,593个节点。对每种施工方案按表1中所列的施工工序,

进行施工过程仿真分析。

对以上各模型分别进行详尽计算,首先得出该桥横向整体与纵向整体的8种施工方案中在各自施工工序中的主梁最大弯矩值,以及各主梁上的控制节点(即截面)在8种施工方案中的最大弯矩值。边梁及中梁在各施工工序中的最大弯矩值见表2、表3。篇幅所限,本文只列出中梁各控制节点(见表4)在各施工方案中的最大(绝对值最大)弯矩值(见图3)。

表2 各施工工序中边梁最大弯矩值kN m

施工工序

横向整体施工方案纵向整体施工方案

横A横B横C横D纵A纵B纵C纵D

CS131353135313531352671366226902690 CS2312937923139313941923636584082 CS3367123379041274087441936344295 CS44093563770410342344307424447 CS541654041274434-3999403049 CS270-37614387--36204560

表3 各施工工序中中梁最大弯矩值kN m

施工工序

横向整体施工方案纵向整体施工方案

横A横B横C横D纵A纵B纵C纵D

CS130383038303830382816388228142815 CS230543956304930494449451638784327 CS3384043663953433843369838574295 CS44305993934431144104568457847 CS544054283734675-41828549 CS456-39494575--37844560

表4 中梁各控制节点位置

序号节点号位置

167第1跨梁跨中

2103第1跨梁右端

31221号墩墩顶

4141第2跨梁左端

5195第2跨梁跨中

6231第2跨梁右端

72502号墩墩顶

8269第3跨梁左端

9323第3跨梁跨中

10359第3跨梁右端

113783号墩墩顶

12397第4跨梁左端

13451第4跨梁跨中

由表2、表3可看出,横向整体施工方案的各工序中,边梁、中梁最大弯矩值中的最大值(边梁4434 kN m、中梁4675kN m)和最小值(边梁4127kN m、中梁4373kN m)均小于纵向整体施工方案各工序的最大值和最小值(最大值:边梁47kN m、中梁47kN m;最小值:边梁4234kN m、中梁4449 kN m)。因此,横向整体施工方案优于纵向整体施工方案。比较横向整体施工方案各工序可看出,边梁、中梁最大弯矩中的最小值均出现在横C中,因此如

图3 中梁控制节点最大弯矩

果从简支转连续施工中主梁有较小内力变化的角度而言,横C为最优施工方案。由图3也可看出,横向整体方案中各控制节点的最大弯矩值(除个别位置外)均小于纵向整体方案对应节点的值,且横C 的各控制节点最大弯矩值整体趋势较小,故横C是最优方案。

5 施工注意事项及建议

(1)由于采用横向整体施工方案比采用纵向整体施工方案需增加一定数量的千斤顶张拉设备,特别是当沿桥横向的小箱梁数量较多时,这在选择施工方案时必须首先加以考虑。

(2)在横向整体施工方案中,由于各跨箱梁的纵向预应力筋张拉是在横向整体连接之后进行,因此应特别注意各片箱梁之间纵向预应力筋张拉的同步性。对于还采用横向预应力钢筋的桥梁结构,还应注意由于桥梁横截面变化而引起的横向预应力筋张拉力的调整及预拱度的设置。

(3)在简支转连续施工中,横向及纵向湿接缝均宜采用微膨胀混凝土。临时支座可采用硫磺砂浆制成,硫磺砂浆内埋入电热丝,通过电热法解除。另外,应特别注意严防高温影响永久支座的质量。

6 结 语

根据本文研究可得出:横向整体施工方案优于纵向整体施工方案;横向整体施工方案中横C为最优方案。选择横C施工方案,可保证在整个简支转连续的施工过程中,主梁结构受到最小的结构内力和内力变化。本文研究得出的施工方案已成功运用于甄坟沟大桥的简支转连续施工中,从该桥建设以来的实际运营效果来看,桥梁翼缘湿接缝及梁端湿接缝处的混凝土均未出现超出规范规定的明显裂缝,主梁线形平顺,变形量符合规范要求。

参 考 文 献:

[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2]徐 岳,王亚君,万振江.预应力混凝土连续梁桥设计

[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]涂相友,程菊花,习明星.先简支后连续梁桥的工艺探讨

[J].桥梁建设,2003,(6):65-67.[4]陈 强.先简支后连续结构体系桥梁施工过程监测及其

仿真分析[J].中国铁道科学,2004,25(5):72-77. [5]徐春林,郑杰元,林国辉.50m预制箱梁先简支后连续

的施工方法[J].公路,2006,(9):127-130.

[6]高云峰,叶元芬.简支转连续梁桥施工程序对结构内力

影响分析[J].重庆交通学院学报,2006,25(S1):35-37,43.

[7]杨万里,项贻强,汪劲丰.先简支后连续分布式箱梁桥后

连续预应力合理张拉顺序研究[J].公路交通科技, 2008,25(1):79-82,87.

Study of Construction Schemes of Transferring Simply Supported Structure to Continuous One for a Firstly Simply Supported and Late Continuous Separated Box Girder Bridge

LI Jing bin,GE Su j uan,CHEN Huai

(Schoo l o f Civil Eng ineering,Zhengzhou U niversity,Zheng zhou450001,China)

Abstract:Ag ainst the backg round of the Zhenfeng ou Bridge o n Zhengzhou Shaolin T em ple Expressw ay and in consideration of tw o ty pes(8kinds)o f the construction schem es of transverse integrity and longitudinal integrity used in the construction process of transferring the simply supported structur e to the continuo us one for a separated bo x g ir der br idge,this paper establishes the spatial finite elem ent calculation mo del for the w ho le br idge of such type of the bridg e,using the softw are MIDA S/Civil and respectively conducts a co nstructio n process simulatio n analysis of the construction procedur es of the tw o types o f the co nstructio n schemes.The results of the cal culation dem onstrate that in co nsideration of v ar iations of the structural inter nal fo rces in the main girder in the construction process of tr ansferring the simply supported structur e to the con tinuo us one,the construction schem e o f the tr ansver se integrity is superior to that of the longitu dinal integ rity and mor eov er,in the constr uction scheme of the transverse integ rity,the longitu dinal connectio n pro cedure fir stly at bo th ends of the main girder and then at the middle(trans v erse C)is the optim al construction pr ocedure.

Key words:bridg e;separated box girder;finite elem ent metho d;continuous structure trans ferred fro m simply supported o ne;constr uction pro cedure