简支变连续刚构小箱梁桥墩结构施工过程仿真分析

总第２５２期交　通　科　技Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２５２　２０１２年第３期Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ．２０１２ＤＯＩ　１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１２．０３．００２收稿日期：２０１２－０１－２４简支变连续刚构小箱梁桥墩结构施工过程仿真分析许　健（合乐咨询（深圳）有限公司上海分公司　上海　２０００２１）摘　要　某城市快速环路采用高架与轨道一体化建设，上层桥梁采用简支变连续刚构小箱梁的结构形式，因施工过程中桥墩盖梁存在截面变化和体系转换，其墩梁固结部分的受力复杂。

采用三维实体单元分析了一体化框架墩特别是盖梁在各个施工阶段的应力分布情况，并得到一些结论。

分析表明，在该类结构设计时应注意盖梁钢束的张拉顺序和支架的拆除时机，尤其应注意加强中墩附近边梁剪扭钢筋的设置。

关键词　桥墩结构　装配式小箱梁　简支变连续刚构　三维实体分析１　工程概况某城市环路采用快速路与轨道一体化建设，高架为Ｈ形立柱双层结构，下层为整体式单室箱梁结构；考虑到工程造价、施工条件及工期等要求，上层高架采用装配式小箱梁。

目前国内小箱梁常见的结构形式多为简支变连续［１－２］，受盖梁影响，桥墩处结构整体高度较大。

本工程受限于多层交通需要，为减小上层结构高度，采用先简支后连续刚构的结构形式，即边墩采用常规的隐形盖梁，中墩处通过墩顶的湿接缝将小箱梁与盖梁固结起来。

施工时，中墩处先现浇形成一期盖梁并张拉盖梁第一批钢束，利用盖梁作为支撑进行预制小箱梁架设，然后再现浇预制小箱梁间接缝，并通过该接缝与一期盖梁形成盖梁组合截面，待小箱梁负弯矩束和盖梁第二批钢束张拉完成后，完成连续刚构体系转换。

简支变连续刚构小箱梁的结构形式较为新颖，小箱梁和盖梁的受力相对特殊。

对框架墩盖梁而言，不同的截面形式在不同的施工阶段承受不同的荷载作用，其受力复杂［３－４］，且盖梁横向尺寸较长，在施工盖梁第二层截面时，新浇混凝土的收缩速度比盖梁第一层截面的已浇混凝土（这里Ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｌｏａｄ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｉｌｅｓ　ｏｆ　Ｎｏ．２Ｐｉｌｅ　ｏｆ　Ｅｒｑｉ　Ｙａｎｇｚｉ　Ｒｉｖｅｒ　ＢｒｉｄｇｅＹｕ　Ｋｕｎ１，Ｙｕ　Ｘｉｕｙｕｎ２，Ｌｉ　Ｌｉａｎｘｉｎ２，Ｙｕ　Ｃｈｕｎｍｅｉ２，Ｚｈｅｎｇ　Ｈｏｎｇｊｉａｎ３（１．Ｂｒｉｄｇｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｚｈｏｎｇｔｉｅ　Ｍａｊｏｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ　４３００３４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｙｉｃｈａｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　＆ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｃｏｒｐｏｒｔｉｏｎ，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３０００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｚｈｉｊｉａｎｇ　ｈｉｇｈｗａｙ　ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ｂｕｒｅａｕ，Ｚｈｉｊｉａｎｇ　４４３２００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｎｏ．２ｐｉｌｅ　ｏｆ　Ｅｒｑｉ　Ｙａｎｇｚｉ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　ｉｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ　ｌｏａｄ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏ－ｃｅｌｌ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ａｒｅ　ｃｏｎ－ｖｅｒｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｏｓｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖａｂｌｅ　ｌｏａｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ；ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖａｂｌｅ　ｌｏａｄ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ称老混凝土）快，而老混凝土对其收缩有一定的约束作用，如果新混凝土养护不当，加上环境温度的变化作用，很可能会使盖梁新混凝土在张拉第二批预应力前开裂。

事实上，空间梁格的结构整体分析结果［５］表明，由于墩梁固结的原因，张拉第二批盖梁钢束时，边梁在中墩附近产生的扭转剪应力达１．１４ＭＰａ。

为了能够进一步正确分析盖梁的复杂受力情况与施工过程可能出现的混凝土开裂问题，并对空间梁格整体模型的计算结果进行验证，必须借助三维空间实体有限元来分析整个框架墩在不同施工过程的空间应力分布情况。

２　计算模型及验证计算采用ＡＮＳＹＳ空间８节点实体单元进行。

模型截取４跨一联的中间墩，相邻小箱梁截取至跨中，鉴于实体分析目的是着重考察框架墩的横向受力，而纵向应力对横向受力影响不大，可假定桥墩两侧小箱梁受力始终保持跨中对称。

因此，实体模型两端，即小箱梁跨中施加对称约束。

承台底面施加固定约束。

计算模型见图１。

图１　计算模型图框架墩的施工过程通过ＡＮＳＹＳ单元生死技术实现，施工及成桥阶段工况划分见表１。

为了验证框架墩实体模型的有效性，选取盖梁跨中及挑臂根部上缘，对比了在工况１、２和４下实体模型和空间梁格模型［５］结果，见表２。

表１　盖梁施工阶段以及成桥阶段工况划分工况施工阶段描述１张拉第一批盖梁钢束２架设预制小箱梁３浇筑第二部分混凝土并考虑其收缩徐变４张拉第二批盖梁钢束５成桥阶段（升温组合）６成桥阶段（降温组合）表２　实体与杆系模型应力比较ＭＰａ工况模型挑臂根部跨中１实体杆系－６．５２－６．３６－２．８１－２．６２２实体杆系－３．０１－２．６５－２．６６－２．３３４实体杆系－３．０３－３．１２－１．２５－１．４１ 由表２可见，ＡＮＳＹＳ实体模型与ＭＩＤＡＳ空间梁格模型在指定位置处应力结果吻合较好。

因此，该实体模型可以用来分析一体化框架墩在各个施工阶段的复杂空间应力。

３　框架墩空间应力分析３．１　张拉第一批钢束张拉第一批钢束后，盖梁上缘压应力最大值６．５８ＭＰａ；下缘立柱交界处出现最大值２．３１ＭＰａ的拉应力，桥墩中心切片处盖梁下缘拉应力最大值１．２６ＭＰａ，见图２。

ａ）　盖梁上、下缘横向正应力ｂ）　墩柱中心切片横向正应力图２　工况１盖梁横向正应力／ＭＰａ３．２　架设预制小箱梁在架设完预制小箱梁后，盖梁全截面受压，且上、下缘应力较均匀，最大压应力值为４．２７ＭＰａ。

３．３　浇筑盖梁湿接缝在盖梁的第二部分混凝土浇筑完成后，由于新旧混凝土盖梁龄期不同，必然会产生收缩徐变效应。

混凝土收缩采用降温方法模拟，收缩全部完成后等效降温值为１５℃，养护７～１５ｄ后混凝土收缩等效降温温度值为５℃左右；混凝土徐变变形采用换算弹性模量法进行考虑。

计算结果表明，盖梁的第二部分后浇混凝土拉应力较大，最大值为１．５２ＭＰａ，桥墩中心切片处盖梁上缘拉应力最大值为１．２９ＭＰａ，应力云图见图３。

考虑到实际７～１５ｄ龄期混凝土抗拉强度较小，若混凝土养护不当，混凝土可能产生较大的收缩应力，如果再考虑环境温度的变化引起的应力，则该施工阶段混凝土的拉应力可能会超过实际龄期混凝土的抗拉强度，出现裂缝的可能性５２０１２年第３期许　健：简支变连续刚构小箱梁桥墩结构施工过程仿真分析较大。

设计中应加强构造配筋，施工时要加强混凝土的养护，并及时张拉盖梁第二批钢束。

ａ）　盖梁上、下缘横向正应力ｂ）　墩柱中心切片横向正应力图３　工况３框架墩横向正应力／ＭＰａ３．４　张拉第二批钢束张拉第二批钢束后，盖梁基本处于受压状态，但通过剪应力分布图可以得到，最外侧小箱梁梁端产生１．２６ＭＰａ的剪应力，如图４所示，该结果与空间梁格模型的１．１４ＭＰａ扭转剪应力非常接近。

图４　工况４小箱梁边梁梁端剪应力／ＭＰａ３．５　成桥阶段组合应力成桥阶段考虑二期恒载、车道荷载、梯度温度、收缩徐变等效应，并按梯度升温、梯度降温分为２个工况。

考虑梯度升温时，除去应力集中区域的应力，盖梁挑臂处出现０．４１ＭＰａ拉应力，其余区域处于受压状态，盖梁上缘出现最大压应力为６．２９ＭＰａ，见图５。

考虑梯度降温时，盖梁上缘产生较大的拉应力，挑臂上缘拉应力最大值２．３８ＭＰａ；盖梁下缘全部受压，见图６。

图５　工况５框架墩中心切片横向正应力／ＭＰａａ）　盖梁上、下缘横向正应力ｂ）　墩柱中心切片横向正应力图６　工况６框架墩横向正应力／ＭＰａ４　结论与建议一体化框架墩在各个工况下的计算结果显示，一期盖梁形成并张拉钢束后，下缘与立柱交界处出现最大２．３１ＭＰａ的拉应力；盖梁的第二部分混凝土浇筑后出现最大值１．５２ＭＰａ拉应力；张拉第二批钢束后，最外侧小箱梁梁端产生１．２６ＭＰａ的剪应力；运营阶段考虑梯度降温时，盖梁挑臂上缘出现最大值２．３８ＭＰａ的拉应力。

进一步分析以上计算结果，可发现简支变连续刚构体系在构造和受力性能上存在一定的特殊性，一些关键点需在设计和施工中引起重视。

（１）中墩盖梁在施工过程中存在截面变化，为减小结构的整体高度，第一次浇筑的盖梁应尽量轻薄，而小箱梁的架设又需要在一期截面上完成，对其受力性能有较高的要求，两者存在一定的矛盾。

因此设计中盖梁尺寸的拟定和钢束张拉次序的选择宜多做比较、优化，在确保结构安全的前提下满足美观、经济的设计初衷；施工时，在满足设计要求和施工条件许可的情况下，上层盖梁支６许　健：简支变连续刚构小箱梁桥墩结构施工过程仿真分析２０１２年第３期架应尽可能在体系转换完成后拆除。

（２）中墩盖梁在截面转换的过程中，第二部分混凝土浇筑完成后，受收缩徐变和环境温度变化的影响，出现裂缝的可能性较大。

设计中应加强构造配筋，但最关键的还是在施工时采取有效措施加强混凝土的养护，并及时张拉盖梁第二批钢束。

（３）由于盖梁悬臂较长，刚度相对较小，特别是悬臂端部在荷载作用时变形较大。

盖梁第二批钢束张拉时，连续刚构体系已形成，盖梁悬臂端的竖向位移受小箱梁约束，导致最外侧小箱梁梁端的扭转剪应力较大，这一结果在实体模型和空间梁格模型中均得到了验证，设计中应注意加强中墩附近边梁的剪扭钢筋。

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