多跨预应力钢筋混凝土连续梁桥合龙方案优化

王冲，于晓光

（1.陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；
2.内蒙古自治区交通运输科学发展研究院，内蒙古 呼和浩特 010051）

预应力混凝土连续梁桥已是最常用的桥型，是我国所有桥型中使用最为广泛的一种。预应力混凝土连续梁桥的合龙顺序对全桥的内力分布有较大的影响，选择合理的合龙顺序非常重要。常见的3 跨连续梁桥合龙顺序发展较为成熟，通常采取先边跨后中跨的合龙方式。对于多跨预应力混凝土梁合龙方式显得尤为重要，详细的合龙方案对比对预应力混凝土多跨连续梁桥施工控制具有重要意义。

已有学者对多跨预应力混凝土连续梁桥的合龙方案进行了研究。刘会球[1]通过对比四种施工方案研究了3跨连续梁桥的合龙方案，确定了先边跨再中跨的合理合龙方案。徐天良[2]通过对比四种合龙方案对4跨连续梁桥的影响，确定了先对称合龙中跨、再对称合龙边跨的顺序。包仪军等[3]讨论了合龙方案对结构成桥累积位移和内力的影响，得到先边跨、再次边跨、最后中跨的合龙顺序为最优的合龙方案。杨阳等[4]对比了3跨预应力混凝土连续梁桥的合龙方案，确定先边跨后中跨方案产生的内力和线形比较均匀，可以得到最为合理的成桥状态。解亚东等[5]建立了4跨预应力刚构合龙方案对比，根据施工方案的变更，从原方案的先边跨后中跨的常规合龙方式变更为边中跨同时合龙的方式。研究结果表明，多跨连续刚构桥采用边中跨同时合龙相较于常规的逐跨合龙，成桥状态的主梁最大应力值相差不大，但主梁成桥线形有一定差别，合龙方式变更后需要调整施工预拱度和合龙顶推力值，但是目前对6跨预应力混凝土连续梁桥的合龙方案选取研究较少。

因此，本文以某6跨预应力钢筋混凝土连续梁桥的合龙方案为研究对象，以对称施工的原则建立了三种合龙方案的有限元模型，并对合龙完成后的主梁上缘应力、下缘应力和竖向位移进行了对比分析。

2.1 主梁结构

以某6跨预应力混凝土连续梁桥为例，主桥桥跨全长（27+4×44.8+27）m，桥梁全宽25.5m，两侧梁端至边支座中心各0.7m，如图1所示。桥梁采用悬臂浇筑法进行施工，首先在桥墩Z1～Z5 进行节段浇筑，共划分为7个节段，对这7个节段依次进行移动挂篮、模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、预应力张拉，形成5个“T”构；
其次采用对称施工的方法进行合龙段的浇筑和预应力钢束的张拉得到成桥状态；
最后进行二期铺装的施工。

图1 某6跨连续梁桥主梁结构（m）

2.2 箱梁结构

本桥采用单箱单室变截面箱梁，箱梁顶板宽12.75m，底板宽5.6m～6m。主梁根部位置梁高2.8m，跨中位置梁高1.8m，主梁梁高沿纵向按2.0 次抛物线变化。顶板厚0.28m，底板厚度由跨中0.28m按2.0次抛物线变化到根部的0.48m。腹板厚度在跨中段为0.5m，根部为0.7m。支座和跨中位置截面如图2和图3所示。

图2 支座位置截面(cm)

图3 跨中位置截面(cm)

2.3 主要材料

主梁采用C50 混凝土，弹性模量为E=34.5GPa，容重为γ=25kN/m3，泊松比为υ=0.2。

纵向预应力筋采用高强松弛钢绞线[1]，抗拉强度标准值=1860MPa，弹性模量Ep=195GPa，公称直径15.2mm，预应力钢筋与管道的摩擦系数μ＝0.25，管道每米局部偏差的影响系数k＝0.0015m-1。

悬臂节段浇筑法是在桥墩两侧设置工作平台，首先在桥墩两侧的工作平台浇筑0#块，并对0#块进行临时固结。其次在0#块上安装挂篮，通过挂篮进行逐段的浇筑，并张拉预应力钢束。最后在所有的悬臂段浇筑完成后形成“T”形结构，依次对“T”形结构和边跨段进行合龙得到最终的成桥状态。

悬臂节段浇筑施工方法具有很大的优势，施工速度快、效率高，对既有线路通行的影响较小，同时也在跨越河流、山沟等特殊的地理条件方面有较大的优势。这种施工方法已经成为桥梁施工的主要方法。然而多跨连续梁桥属于超静定结构，合龙顺序的不同直接影响主梁的内力分布。因此合龙顺序的选择是悬臂浇筑法的关键步骤，也是影响主梁内力的关键因素。

本文合龙方案选择对称施工方法，施工方法与常规预应力钢筋混凝土连续梁桥相同，主要分析在边跨现浇段施工完成后的合龙方案，根据常见的合龙方案，设置了三种合龙方案[6-9]：

方案1：边跨→次边跨→中跨

方案2：中跨→次边跨→边跨

方案3：次边跨→边跨→中跨

对于合龙方案1，主要有以下步骤[10-12]：①安装两个边跨段吊架和配重；
②浇筑边跨合龙段，同时逐步卸载配重，直至合龙段混凝土浇筑完成；
③待混凝土龄期达到7 d，解除支座Z1和Z5的临时固结；
④张拉边跨合拢段顶板和底板预应力钢束。其余方案的合龙顺序与方案1类似，故不再论述。

通过Midas Civil建立有限元数值模型，根据实际施工情况全桥共划分116 个节点，108 个单元，39 个施工阶段（其中悬臂浇筑划分22个施工阶段，合龙过程划分17 个阶段）。纵向预应力钢束共220 根，不考虑横向和竖向预应力钢筋的作用。通过对施工阶段的组织建立了方案1～方案3三个有限元模型，并进行施工阶段计算分析。

图4 为有限元数值模型单元划分和预应力钢筋布置正视图，图中灰色线条代表预应力钢绞线。图5为俯视图。全桥共设置预应力钢束220 根，主梁顶板束100根，边跨底板束16 根，腹板束40 根，中跨底板束48 根，合龙束16根。

图4 数值模型及预应力钢筋正视图

图5 数值模型及预应力钢筋俯视图

4.1 应力分析

施工方案选取的不同对成桥的应力状态有很大影响，主梁的应力控制是连续梁桥施工控制的重点对象。在预应力混凝土连续梁施工过程中，纵向预应力提供混凝土压应力，以抵消主梁弯曲和活载引起的拉应力。图6 和图7 分别为不同合龙方案的各截面合龙完成后的上缘应力和下缘应力分布规律。表1 和表2分别为主梁控制截面上缘应力和下缘应力。

表2 控制截面主梁下缘应力

图6 合龙完成后主梁上缘应力分布

图7 合龙完成后主梁下缘应力分布

表1 控制截面主梁上缘应力（续表）

由图6和表1可知，这三种合龙方案在合龙完成后的上缘应力较为接近，在主墩Z1 附近，方案1 和方案2的上缘应力约为-10MPa，方案3 的上缘应力约为-9MPa。在主墩Z1～Z2 的次边跨跨中位置，方案2 的应力最小，应力为-2.42MPa，而方案1 和方案3 的应力分别为-1.31MPa和0.31MPa。主墩Z2附近的上缘应力同样是方案2 最小，方案1 和方案3 的应力高于方案2 的应力。主墩Z2～Z3 之间的中跨跨中位置三种方案的应力相差不大。

混凝土的抗压强度远高于抗拉强度，在桥梁设计过程中通常通过预应力钢束提供混凝土主梁压应力，冗余的压应力可以承担车道荷载和防止混凝土开裂。因此方案1和方案2更有优势，内力分布更加符合预应力混凝土梁的设计原则。

由图7和表2可知，三种合龙方案在合龙完成后下缘应力的差距较大。可以看出在主墩Z1 附近，方案3的下缘应力最小，为-3.78MPa，明显低于方案1和方案2的下缘应力。主墩Z2附近，方案1和方案3的下缘应力约为-3MPa，都低于方案2 的下缘应力。主墩Z3 附近，方案2的下缘应力最低，为-1.4MPa左右，方案1和方案3的应力差距较小，且都高于方案2的下缘应力。

因此，根据对主梁合龙完成时下缘应力分析，方案1和方案3更加符合主梁应力的设计要求，主梁压应力冗余度较高。

4.2 位移分析

对跨连续梁线形也是施工的重点工作之一，保证桥梁线形的平顺可以增加行车的平稳度和舒适度，同时平顺的桥梁线形能减小车辆荷载的冲击，增强桥梁结构使用寿命。施工过程中通常采用预拱度来调整桥梁的线形，三种合龙方案下主梁的竖向位移见图8和表3。

图8 合龙完成后主梁竖向位移(mm)

表3 合龙段竖向位移

主梁的竖向位移是施工监控的关键，准确的竖向位移才能保证预拱度设置的准确度。由图8 和表3 可知，三种合龙方案在合龙完成后的竖向位移差别较大，方案3的竖向位移最大，达到了-69.9mm，方案2的竖向位移最为平顺，而方案1居于两者之间。从表3可以看出，方案3 合龙段左侧和右侧的竖向位移差值最大，达到78.1mm，这给主梁的线形控制带来一定困难。方案1合龙段两侧的最大竖向位移差值为48.2mm，位于跨中合龙段的两侧。而方案2的竖向位移差值最小，最大差值仅为1.0mm。

本文以某6 跨预应力连续梁桥为例，通过Midas Civil建立了有限元模型，根据实际施工过程，考虑了吊架安装、配重安装、混凝土浇筑、预应力钢束张拉等施工过程。分析了常见的三种合龙方案对主梁上缘应力、下缘应力和竖向位移的影响。对多跨预应力混凝土连续梁合龙顺序的设计有一定的参考意义。主要结论如下：

①方案1和方案2得到的主梁上缘应力更加合理，混凝土储备了较大的压应力。但整体来看，这三种方案对混凝土主梁的上缘应力影响较小。

②方案1 和方案3 得到的主梁下缘应力更加合理。这三种方案的下缘应力差较大，方案2甚至在支座位置处出现了拉应力。

③方案1和方案2得到的主梁竖向位移更加合理。方案3的合龙段两侧位移差距过大，不利于施工控制。

综合来看，对于6跨连续梁桥最优的合龙方案为方案1，即先边跨合龙，再次边跨合龙，最后中跨合龙。