连续箱梁桥悬臂施工抗倾覆稳定的可靠性研究

卞同山

（盐城市亭湖区交通工程建设管理处，江苏 盐城 224000）

大跨径连续梁桥往往采用挂篮悬臂施工，为保证施工过程中结构的抗倾覆稳定性，需要采用临时固结措施以使结构成为几何不变体系。临时固结措施包括墩顶设临时固结支座，桥墩两侧设临时支墩等方式。目前，对于不平衡荷载作用下，最大悬臂状态的倾覆稳定性，大部分文献均采用定性的方法分析临时固结措施的安全系数，没有考虑各种设计参数的变异性［1-3］。张杨永［4］、刘晓銮［5］等人将可靠度分析方法引入桥梁结构成桥状态和施工过程的结构安全性分析中。张建仁［6］、许福友［7］、李生勇［8］、骆佐龙［9］等人均针对具体的工程项目，考虑少量设计参数的变异性，建立可靠度分析模型，对最大悬臂状态的可靠性进行了一些研究，取得了一些成果。但在目标可靠指标的取值上没有展开讨论，对设计荷载参数和极限失稳时的组合工况考虑不全面。因此，本文针对设计参数的选择、目标可靠指标取值等方面进一步开展研究。

1 工程概况

吴淞大桥为60 m+100 m+60 m的大跨径变截面连续梁桥，截面形式为单箱双室。中墩处梁高为7.0 m，跨中梁高2.8 m，梁高按二次抛物线变化。该桥梁采用对称悬臂浇筑方法施工，单个悬臂共划分为13个节段，其中0#块长6 m，1#~2#块长2.5 m，3#~6#块长3.0 m，7#~10#块长3.5m，11#~13#块长4.0 m，中孔合龙段长2.0m，节段最大重量为150 t。桥梁中墩为顶部扩大的矩形墩柱，立柱底部尺寸为5.8 m（横桥向）×3 m（顺桥向），立柱顶部尺寸为8.4 m（横桥向）×3.6 m（顺桥向）。

在悬臂浇注施工过程中，为了抵抗不平衡弯矩，临时支承结构采用墩顶支座两侧设支墩的形式，如图1所示。临时支墩内的锚固钢筋采用Φ32 mm的PSB785精轧螺纹钢，底板处截面下端埋入墩身2.5 m，上端伸出底板顶面。中腹板处截面下端埋入墩身2.5 m，上端埋入梁体1.8 m。每个临时支座设置82根精轧螺纹钢筋。临时支座采用C50混凝土。

图1 临时锚固布置图

2 可靠性模型

2.1 设计荷载参数

大跨度连续梁桥的挂篮悬臂施工过程中，随着主梁悬臂长度的增加，其失稳的可能性越来越大。主梁倾覆失稳的最不利状态为主梁处于施工合龙前的最大悬臂状态，因此，取该状态下的结构体系进行梁体抗倾覆稳定性的研究。

连续梁悬臂施工时，由于各种偶然因素会引起主墩两侧的荷载不平衡，从而有发生倾覆失稳的可能性。这些不平衡荷载主要包括：梁体自重不平衡荷载，施工机具和材料堆载，悬臂两端梁段施工不同步时的自重不平衡荷载，两侧合龙段施工不同步引发的不平衡荷载，两侧悬臂承受的不平衡风荷载，施工过程中悬臂端挂篮突然脱落的偶然荷载。

（1）梁体自重不平衡荷载

由于混凝土生产和现场浇筑过程中的不均匀性，墩顶两侧悬臂段的混凝土自重存在差异。梁体自重荷载的变异性主要取决于混凝土生产、运输、和现场浇筑过程的施工管理水平和施工技术水平。

该桥单侧悬臂0#~12#块共重18 286 kN，重心距墩顶中心线的距离为16.50 m；单侧悬臂0#~13#块共重19 302 kN，重心距墩顶中心线的距离为17.95 m。

根据施工经验，梁体自重不平衡荷载用W表示，服从正态分布，平均值μW按5%的梁体自重考虑，变异系数δW取0.15。

（2）施工机具和材料堆载

考虑到施工需要，梁体上需要临时堆放施工机具和材料，现场操作人员的移动也会对主梁产生不平衡荷载。

根据施工经验，施工活载可由悬臂端的集中力P和悬臂上的均布力g表示，两者均服从正态分布。一侧悬臂端作用集中力的平均值μP取100 kN，变异系数δP取0.15；悬臂上作用的均布力的平均值μg取5 kN/m，变异系数δg取0.15。

（3）梁段施工不同步荷载

由于实际施工过程中，墩顶两侧悬臂节段的施工很难做到严格同步，这主要取决于施工的现场管理水平。考虑最不利情况，一侧最后一个节段已经完成施工，另外一侧最后一个节段施工完成1/2。梁段施工不同步荷载用G表示，服从正态分布，其平均值μG取510 kN，变异系数δG取0.20。

（4）挂篮脱落荷载

考虑到施工的突发情况，施工到最后一个节段时，一侧挂篮突然脱落。按挂篮和模板的设计图纸，挂篮及模板等自重取550 kN，挂篮脱落的冲击系数取1.2。挂篮系统脱落荷载用T表示，服从正态分布，其平均值μT取660 kN，变异系数δT取0.10。

（5）合龙段不同步荷载

由于施工进度的偏差，考虑最不利情况，一侧边跨合龙，另外一侧边跨尚未合龙。合龙段混凝土重量的一半作用在最后一个悬浇节段末端。合龙段不同步荷载用F表示，服从正态分布，其平均值μF取300 kN，变异系数δF取0.10。

（6）风荷载

该桥施工期少于1年，根据桥梁工程所在地的实际情况，按10年重现期计算施工阶段的设计风速。最不利情况下，一侧悬臂作用风荷载，另外一侧悬臂作用0.5倍的风荷载。抗倾覆稳定验算时可以仅考虑风荷载竖向升力作用，用q表示，服从极值I型分布。风荷载的平均值μq取6 kN/m，变异系数δq取0.15。

实际上，以上各种荷载并非同时发生，可考虑以下几种荷载组合的工况。

组合1：（1）+（2）+（3）+（6），即最后一个悬浇节段施工不同步；

组合2：（1）+（2）+（4）+（6），即最大悬臂状态时一侧挂篮脱落；

组合3：（1）+（2）+（5）+（6），即合龙段施工不同步，一侧边跨合龙。

2.2 结构抗力参数

连续梁桥悬臂施工过程中产生的不平衡弯矩主要由墩顶的临时支座承受。临时支座除了承受不平衡弯矩外，还承受上部结构的自重荷载。当不平衡弯矩引起的临时支座上拉力超过上部结构自重荷载的压力时，墩顶两侧的临时支座一个受拉、一个受压。根据图纸，临时支墩内的锚固钢筋采用Φ32 mm的PSB785精轧螺纹钢，临时支墩中心距墩顶中心线距离为1.48 m。施工期的临时锚固措施往往由抗拉控制设计［1］，需要做好抗拉锚固措施。

精轧螺纹钢抗拉强度设计值为650 MPa，考虑材料性能不确定参数和计算模式的不确定性后［9］，单根精轧螺纹钢抗力用S表示，服从正态分布，抗力S均值μS取470 kN，变异系数δS取0.10。

2.3 极限状态函数

连续梁桥悬臂施工过程中抗倾覆稳定计算的示意图如图2所示。

图2 抗倾覆稳定计算示意图

连续梁桥悬臂施工过程中的抗倾覆稳定可靠性分析的极限状态函数可表示为：

式中：MR为抵抗结构倾覆失稳的内力矩；MS为引起结构倾覆失稳的外力矩。

可以得到3种不同工况组合下，结构抗倾覆稳定可靠性分析的极限状态函数分别为：

组合1：

Z=242.72S-16.5W-42P-882g-44G-529q；

组合2：

Z=242.72S-16.5W-42P-882g-44T-529q；

组合3：

Z=242.72S-17.95W-46P-1 058g-46F-529q；

式中各符号的含义同前文所述。

2.4 目标可靠指标

目标可靠指标应结合工程经验，根据结构的重要性、破坏后果、经济效应、社会影响等因素综合确定。目前，关于施工期的目标可靠指标国内并没有规范予以明确的规定。

国际标准化组织发布的《结构可靠性设计总原则》（ISO 2394∶1998）中对于承载能力极限状态下，安全等级低、一般、高的结构目标可靠指标建议取值为3.1、3.8、4.3。北欧五国发布的《承载结构的荷载及安全规定》（NKB NO55E）中对安全等级低、一般、高的结构目标可靠指标取值为3.71、4.26、4.75。英国的《结构规范中安全及正常使用状态系数合理化》（CIRIA Report 63）对于安全级别为一般、重要、很重要的可靠指标取值为3.09、3.71、4.26。欧洲统一标准EN 1990∶2002中对于承载能力极限状态的结构目标可靠指标建议取值为3.3、3.8、4.3。美国混凝土协会发布的《混凝土结构设计规范》（ACI 318-02）中对于现浇或预制混凝土梁结构在受弯或受剪时的目标可靠指标取值为3.5。《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50283—1999）中按持久状况进行承载能力设计时的目标可靠指标如表1所示。《港口工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50158—2010）中规定对应于安全等级一级、二级、三级的最小目标可靠指标分别为4.0、3.5、3.0。《工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50153—2008）中规定可靠度水平的设置应根据结构构件的安全等级、失效模式和经济因素等确定。安全等级每相差一级，其可靠指标的取值宜相差0.5。但没有明确给出桥梁结构的目标可靠指标的取值［10］。

表1 公路桥梁结构的目标可靠指标

综上所述，结合本工程项目的实际情况，梁体抗倾覆稳定的目标可靠指标取值为4.7，对应的失效概率为1.3×10-6。

3 可靠性分析

根据《工程结构可靠度设计统一标准》附录E的结构可靠指标计算方法进行计算，可得该桥3种工况下的可靠指标值，验算结果如表2所示。

表2 可靠指标验算表

从中可以看出，组合2工况下，结构可靠指标最小，其值为4.965，满足目标可靠指标的要求。比较3个组合工况下结构可靠指标可知，最大悬臂状态时一侧挂篮脱落对结构抗倾覆稳定的可靠性影响最大。施工过程中，应重视挂篮的设计和现场管理，防止发生挂篮脱落的事故。

4 结论

通过吴淞大桥悬臂施工阶段结构抗倾覆稳定的可靠性分析，可得出如下结论：

（1）施工过程中引起梁体倾覆失稳的不平衡荷载很多，应该根据施工单位的工程经验，全面考虑各种荷载出现的概率和大小。

（2）挂篮脱落荷载对结构抗倾覆稳定的可靠性影响最大，施工中应重视挂篮结构的设计和现场施工管理，确保挂篮施工的安全性。

（3）目标可靠指标的取值应根据结构的重要性、破坏后果、经济效应、社会影响等因素综合确定，不宜取得太小，留下安全隐患；也不宜取得太大，造成无谓的浪费。

（4）连续梁桥悬臂施工抗倾覆稳定分析的研究成果可用于指导临时锚固措施的设计。

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