大纵坡连续梁悬臂施工受力分析

大纵坡连续梁悬臂施工受力分析

付炳科

中铁二十四局集团有限公司 上海 200071

摘 要：对于具有较大纵向坡度的连续梁悬臂施工工程项目，在桥梁悬臂施工过程中纵向坡度对梁体结构的位移和内力会产生不可忽视的影响，且目前国内外大纵坡桥梁悬臂施工案例较少，针对大纵坡桥梁悬臂施工受力特点的研究尚不明确。因此，本文结合工程实际，建立了考虑大纵坡的连续梁桥有限元仿真模型，采用通用有限元分析程序ABAQUS结合工程实际情况进行分析，旨在探究大纵坡背景下桥梁悬臂施工的受力特点，以指导工程实践中的桥梁施工控制，保证施工的质量和安全，并为其他同类型大纵坡桥梁悬臂施工控制提供参考。

关键词：悬臂施工；大纵坡；桥梁工程；有限元分析

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1^ 引言

预应力混凝土连续梁桥具有变形小、行车舒适、伸缩缝少、养护简易、抗震性能好等优点^[1-2]，在各类工程中被广泛采用^[3]。连续梁桥施工方法很多^[4-5]，其中以悬臂浇筑和悬臂拼装施工法应用最广^[6]，连续梁悬臂施工过程中需要对梁体进行施工控制^[7-9]，避免梁体应力过大酿成重大工程事故，本工程梁体具有大纵坡的特点，目前对于大纵坡连续梁悬臂施工的研究较少，有必要针对大纵坡连续梁悬臂施工中关键位置的应力进行分析，有利于指导实际工程的开展。

本工程梁体设计有3.97%的纵向坡度，在桥梁悬臂施工过程将对梁体结构的位移和内力产生不可忽视的影响^[10-12]，因此，根据设计图纸，建立了考虑大纵坡的V型刚构墩连续梁桥有限元仿真模型，采用通用有限元分析程序ABAQUS进行空间分析，旨在探究大纵坡背景下桥梁悬臂施工的受力特点，以指导本工程的桥梁施工控制，保证施工的质量和安全，并为其他同类型大纵坡桥梁悬臂施工控制提供参考。

2 有限元模型建立

2.1 工程背景

本工程为312国道苏州东段改扩建工程昆山段（涉铁）施工项目。施工项目位于昆山市巴城镇，起于娄江互通节点，向北依次跨越京沪铁路与沪宁城际，终点与阳澄湖大道相接。桥址上跨沪宁城际，采用2×66m先悬浇后平面转体施工，位于铁路30m范围内，桥面纵坡为-3.97%，桥面净宽34m，底板宽为19.94～23.69m，两侧悬臂板长各4.0m，悬臂板端部厚25cm，根部厚60cm。转体前与沪宁高铁平行方向、采用悬臂挂篮法施工，全长共划分为13个梁段，0#块采用钢管支架法施工，1～13号节段均采用挂篮法施工，不设后浇段。桥梁构造采用为V型刚构连续梁的形式，桥梁设计采用“先悬臂浇筑、后转体就位”的施工工艺，转体总重量约2.14万吨，采用2.5万吨球铰顺时针转体70°一次性就位。

2.2 悬臂节段模拟阶段

悬
臂施工节段划分见下图1所示。桥梁悬臂施工全过程如下：首先进行墩顶0#块满堂支架施工，0#块施工完成并达到设计强度要求后，铺设轨道并拼装两侧挂篮，之后同时对称地进行两端1#块悬臂现浇施工，待1#块悬臂施工完成并达到设计强度要求后，张拉预应力筋，两侧挂篮前移，重复以上步骤，直至完成13#块悬臂施工。为方便表述以k0表示0#块施工完成后的工况，以k1表示1#块施工完成后的工况，以此类推。

图1 悬臂施工节段划分

2.3 预应力张拉工况模拟

桥梁悬臂施工过程中，某一节段混凝土浇筑完成并达到设计强度要求后，需要及时张拉预应力钢筋，用于平衡梁段自重及产生预拱度；因此预应力的正确施加对梁体受力安全以及悬臂施工控制具有重要影响。在ABAQUS有限元模型中，按照预应力索张拉次序表，在不同悬臂施工工况k0~k13对应的分析步中，通过降温法对所需张拉的预应力索施加预应力，以模拟预应力索分批张拉过程。施工首先进行基础、桥墩施工,其中两侧交接墩盖梁待梁部转体完成后施工，之后在支架上灌注0号梁段张该梁段预应力钢筋、隔墙横向预应力和桥面板横向预应力，0号块施工完成后挂篮施工灌注1~13号梁段,张该梁段预应力钢筋、桥面板横向预应力，完成后拆除0号梁段支架。

3 大纵坡桥梁悬臂施工全过程受力分析

本工程悬臂施工阶段分为k0~k13共计14个施工工况，分别提取各工况下主梁的组合应力云图进行分析，如图2所示。最外侧块悬臂端的腹板为组合应力最大的区域；墩梁固结区域上方对应的主梁顶板为组合应力较大的区域；从墩梁固结区域上方对应的主梁顶板到最外侧块的主梁顶板存在逐渐减小的应力梯度。

由k8工况组合应力云图可知：①墩梁固结区域上方对应的主梁顶板为组合应力最大的区域；②从墩梁固结区域上方对应的主梁顶板到8#块的主梁顶板存在逐渐减小的应力梯度；③从墩梁固结区域外侧的主梁底板到8#块的主梁底板也存在逐渐减小的应力梯度，但其应力水平相对顶板较小；④跨中主梁顶板存在一定的组合应力。由k13工况组合应力云图可知：①墩梁固结区域外侧的主梁底板为组合应力最大的区域；②从墩梁固结区域上方对应的主梁顶板到8#块的主梁顶板存在逐渐减小的应力梯度，但9#块到13#块之间主梁顶板的组合应力有所增大；③从墩梁固结区域外侧的主梁底板到13#块的主梁底板也存在逐渐减小的应力梯度，且其应力水平比顶板大；④跨中主梁顶板存在一定的组合应力。提取大纵坡悬臂梁施工全过程中各工况组合应力最大值如图3所示。

由
主梁应力分布规律可知，在桥梁悬臂施工全过程中，预应力索的布置及其张拉顺序对主梁的应力大小和分布起主导作用，主梁自重及悬臂端长度对其应力分布存在一定影响，但大纵坡对桥梁悬臂施工受力特征的影响尚不明确。为探究大纵坡对桥梁悬臂施工受力特征的影响程度，以k11工况为例，分别提取主梁较高一侧的10#块与11#块相接截面（记为A截面）以及较低一侧的10#块与11#块相接截面（记为B截面）的组合应力云图，如下图4、5所示。

图4 A截面组合应力图

图5 B截面组合应力图

由A截面组合应力图可知：①顶板组合应力较大，组合应力最大值为8.442MPa；②底板组合应力较小。由B截面组合应力图可知：①顶板组合应力较大，组合应力最大值为8.770MPa；②底板组合应力较小。

根据A、B截面的组合应力图可知，两截面的应力分布规律一致，其中B截面的最大组合应力稍大于A截面，二者仅相差0.328MPa。上述表明，在k11工况中，新浇筑的11#块对前一节段已浇筑完成的10#块的作用力与桥梁纵向坡度关系不大。进一步地，提取其他工况中新浇筑节段与前一节段相接截面的组合应力图可知，这一结果对于k0~k13工况均试用。

因此可以得出结论：若预应力配置合理，则本工程中3.97%的纵向坡度对主梁受力特征的影响并不明显，可以忽略不计。

4 大纵坡桥梁悬臂施工各阶段变形分析

本工程悬臂施工阶段分为k0~k13共计14个施工工况，为便于观察和说明，在ABAQUS可视化模块中设置30倍的变形缩放系数，分别提取各工况下主梁的竖向变形云图及提取数据，如图6所示，各工况梁段变形情况汇总如表1。

表1 各工况梁段变形情况汇总表

提取大纵坡悬臂梁施工全过程中各工况梁段变形最大值如图7所示。从k0~k13工况主梁竖向变形数据中可以得出，在悬臂施工全过程，主梁竖向变形存在一定规律：k0~k12工况，主梁均为上拱形状，说明预应力束布置有效，预应力对于平衡悬臂施工各阶段的主梁自重发挥了重要作用；k13工况，主梁呈现M形，这是由于13#块浇筑完成后，张拉底板预应力束，在主梁整体上拱的前提下，导致梁端部分下挠，于是呈现M形。k0~k12工况，主梁端部竖向位移在3.34~78.2mm间变化，整体呈增大趋势且变化较明显。k0~k7工况，主梁跨中竖向位移在-3.61~-9.59mm间变化，整体呈增大趋势且变化较不明显；k8~k12工况，主梁跨中竖向位移在-4.20~-5.19mm之间变化，整体呈先增大后减小趋势且变化很不明显。这是由于0#~7#块存在腹板预应力束，预应力相对较大，使得主梁下挠较大；而8#~12#块无腹板预应力束且悬臂长度逐渐增加，使得自重作用对主梁变形影响逐渐变大，而自重将引起跨中上拱，故从k7到k8工况主梁跨中挠度由-9.59mm减小为-4.88mm。

图7 悬臂施工各工况组合变形最大值

由以上主梁竖向变形规律及原因分析可知，在桥梁悬臂施工全过程中，预应力索的布置及其张拉顺序对主梁竖向变形起主导作用，主梁自重及悬臂端长度对其竖向变形存在一定影响，但大纵坡对桥梁悬臂施工竖向变形的影响尚不明确。

为探究大纵坡对桥梁悬臂施工竖向变形的影响程度，以k11工况为例，分别提取主梁较高一侧的10#块与11#块相接截面（记为A截面）以及较低一侧的10#块与11#块相接截面（记为B截面）的竖向变形云图，如图8、9所示。

由A截面竖向变形图可知：竖向变形由中间顶板向两侧翼缘逐渐减小；中间顶板上挠最大，其值为7.10mm；两侧翼缘上挠最小，其值为5.37mm。

由B截面竖向变形图可知：竖向变形由中间顶板向两侧翼缘逐渐减小；中间顶板上挠最大，其值为7.15mm；两侧翼缘上挠最小，其值为5.21mm。

根据A、B截面的竖向变形图可知，两截面的竖向变形分布规律一致，其中B截面的最大竖向变形稍大于A截面，二者仅相差0.05mm；B截面的最小竖向变形稍小于A截面，二者仅相差0.16mm。上述结果表明，在k11工况中，主梁的竖向变形与桥梁纵向坡度关系不大。进一步地，提取其他工况中新浇筑节段与前一节段相接截面的竖向位移图可知，这一结果对于k0~k13工况均试用。

因此可以得出结论：若预应力配置合理，则本工程中3.97%的纵向坡度对主梁竖向变形的影响并不明显，可以忽略不计。

5 结论

本文依托工程为研究背景，建立大纵坡V型刚构连续梁桥ABAQUS有限元模型，对大纵坡主梁在悬臂施工全过程的受力和变形进行计算分析，同时对比主梁两端对应位置处截面的应力和变形，确定大纵坡对桥梁悬臂施工的影响程度，以指导大纵坡桥梁悬臂施工控制，通过本文研究得出以下结论：

（1）预应力钢筋混凝土连续梁在施工过程中预应力钢筋对梁体局部应力的影响较大，预应力索张拉控制应力和布置对各阶段施工过程中关键截面的应力有决定作用。

（2）大纵坡连续梁悬臂施工过程中梁段竖向变形受到预应力钢筋的影响会产生一定的预拱度，能够平衡主梁自重作用产生的梁端下挠，悬臂段长度也对主梁挠度有影响。

（3）若预应力配置合理，则纵向坡度对主梁受力特征和竖向变形的影响并不明显，可以忽略不计。

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收稿日期：2022年1月5日

基金项目：中铁二十四局集团有限公司科技研究开发计划项目（2019-13）

作者简介：付炳科（1988—），男，四川省简阳市人，工程师，主要从事桥梁施工技术研究工作；E-mail： 595071509@qq.com）

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