连续刚构桥梁冬季长悬臂停工的结构影响分析

摘要： 随着高速公路建设的蓬勃发展，跨越沟壑峡谷的高墩大跨径连续刚构桥梁已较为常见，但由于我国北方地区冬季较为漫长，低温环境并不适合刚构桥梁悬臂浇筑混凝土和张拉压浆施工，而大跨径刚构桥梁受悬臂施工工期限制，无法在一年内顺利完成合龙施工，必然造成冬季长悬臂停工现象。本文以我国北方地区某连续刚构桥梁工程施工为依托，就冬季长悬臂停工对结构的影响进行分析，通过采用三维有限元软件Midas/Civil程序进行计算，研究结构变化、承载能力及稳定性，确定长悬臂过冬的可行性，并考虑停工周期的时间效应影响，提出相应措施以供同类工程参考。

关键词：连续刚构桥  冬季长悬臂  结构影响

中图分类号： U448.23      文献标志码：A

1.工程概况

某特大桥工程位于陇东黄土高原亚区，桥位区沟谷呈宽“U”型，两岸沟坡陡峻，桥梁全长1138.08m。该桥上部结构为5×40m装配式预应力混凝土箱型连续梁+（95+3×180+95）m预应力混凝土变截面连续刚构+5×40m装配式预应力混凝土箱型连续梁，下部为柱式墩、空心墩、柱式台、桩基础，单幅桥面宽12.5米，桥面平均高度约70m，最大桥高179m，最大墩高163m。

其中第二联主桥上部结构为五跨预应力混凝土变截面的连续刚构体系。箱梁截面采用单箱单室，预应力体系为纵、横、竖三向预应力[1-2]。箱梁顶板宽12.5m，根部梁高11m，跨中梁高4m，梁高按1.8次抛物线变化。箱梁翼缘板悬臂长为3m，底板宽6.5m，顶板设置横坡，底板横桥向为水平面。

2.气象特点

桥址区属暖温带大陆性高原气候，日照充足，光能资源丰富，雨水较少，四季分明，春秋季节冷空气活动频繁，风的季节性变化较为明显。冬季寒冷漫长，降水稀少，年平均气温7.5～8.7℃左右，七月份平均气温20.8℃～22.2℃，一月份平均气温-8℃～-5.5℃，全年极端最低温度-27.1℃，极端最高温度37.5℃。东南风多为主要风向，西北风次之，平均风速1.9m/s～2.3m/s，最大瞬時风速为21m/s。历年最大积雪深度为21cm。

3.施工总体方案及冬季停工安排

该特大桥主桥连续箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工[3]，0、1号块及边跨现浇段在墩旁托架上浇筑，其余梁段采用挂篮悬臂对称、平衡浇筑直至各单“T”最大悬臂后，然后依次进行边跨、次边跨和中跨合龙。具体梁段及施工方案划分为：0#梁块长8m，采用墩顶现浇施工;1#梁块长2m，采用墩旁托架现浇施工; 2～22#梁段（21对梁段）纵向分段长度为3×3m+4×3.5m+6×4m+8×4.5m，采用挂篮悬浇施工;边、次边、中跨合龙段23#梁段长2m，采用合龙吊架现浇施工，边跨现浇段24#梁段长3.76m，采用墩旁托架现浇施工。悬臂现浇梁段的最大重量为241.2t，设计挂篮自重按110t考虑。该桥左右幅8个“T”同时对称悬臂浇筑，根据施工进度计划安排，该特大桥暂定于当年11月9日进入冬季施工前完成至14#块段后悬停过冬，预计次年3月15日复工，停工工期约4个月。

4.主桥静力计算

4.1计算模型及荷载

4.1.1 结构离散

主桥采用三维有限元软件Midas/Civil程序进行计算[4]，主墩与主梁0号块位置采用刚性连接，主墩墩底采用固结约束，过渡墩位置均为竖向支撑。静力计算的有限元模型如图2所示。

4.1.2 主要材料

主桥箱梁梁体采用C55混凝土，主墩墩身采用C50混凝土，其材料性能指标如表1所示。

4.1.3 计算荷载参数

（1）恒载计算中的一期恒载混凝土容重取26kN/m3;二期恒载的桥面铺装+护栏人行道，主线桥取72.6kN/m。

（2）预应力体系的锚具变形与钢束回缩值（一端）取值△L=6mm;锚下控制张拉力取值0.75fpk=1395Mpa;管道摩阻系数取值μ=0.17;管道偏差系数取值κ=0.00151/m。

（3）汽车荷载等级为公路Ⅰ级;车道荷载横向分布调整系数为按3车道计算，车道荷载横向分布调整系数=3×1.15×0.78×0.97=2.61;汽车荷载的冲击系数取值0.05。

（4）温度变化按四种情况考虑，主梁截面温差根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.10条取10cm厚沥青铺装，计算T1=14℃，T2=5.5℃，负温差为T1=-7℃，T2=-2.75℃。主桥静力计算过程中温度荷载参数分别为：体系升温25℃;体系降温25℃;竖向日照正温差T1=14℃，T2=5.5℃，A=300mm;竖向日照反温差T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300mm。

（5）地基及基础不均匀沉降中主墩取值30mm;过渡墩取值15mm。

（6）单个挂篮重量（含机具、模板）按照实际荷载取用。

（7）风荷载：与汽车组合的风荷载平均风速取值25m/s;百年风为100年10min平均最大风速25.7m/s[5]。

4.1.4 荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》的具体规定，成桥阶段分析主要考虑三个结构工作状态，分别为承载能力极限状态、正常使用短期效应状态和结构弹性状态，每个工作状态的荷载效应系数不同。成桥状态下应考虑结构上可能同时出现的作用（结构重力、混凝土收缩徐变作用、预应力、汽车荷载、基础变位作用、温度作用等），分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行了作用效应组合，取最不利效应组合对结构的应力、强度和刚度进行了验算[6]。本次计算中考虑了以下四种组合：承载能力组合Ⅰ为基本组合;荷载组合Ⅱ为作用长期效应组合;荷载组合Ⅲ为作用短期效应组合;荷载组合Ⅳ为标准组合。

4.2主桥上部结构计算

4.2.1持久状况承载能力极限状态

（1）正截面抗弯验算

按照《桥规》中第5.1.5-1条 验算，得出结构的重要性系数×作用效应的组合设计最大值≤构件承载力设计值，满足规范要求。

（2）斜截面抗剪验算

按照《桥规》中第5.1.5-1条验算，得出结构的重要性系数×作用效应的组合设计最大值≤构件承载力设计值，满足规范要求。

4.2.2 持久状况正常使用极限状态计算

（1）正截面抗裂验算

全预应力混凝土构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合下列条件：预制构件σst-0.85σpc≤0;分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件σst-0.80σpc≤0。

按照《桥规》中第6.3.1-2条公式σst-0.80σpc≤0验算：该特大桥主桥顶缘最大应力为-0.081 MPa（压应力），底缘最大应力为-0.029 MPa（压应力），均未出现拉应力，满足规范要求;

（2）正截面压应力验算

按《桥规》中第7.1.5-1条公式，汽车荷载考虑冲击系数，荷载取其标准值。受压区混凝土最大压应力为：未开裂构件σkc+σpc≤0.5fck;允许开裂构件σcc≤0.5fck。

按照《桥规》第7.1.5-1条公式验算：该特大桥主桥顶缘最大压应力为17.379 MPa，底缘最大压应力为10.341 MPa，均小于C55混凝土容许值0.5fck=17.750 MPa，满足规范要求;

4.2.3 位移计算

汽车荷载作用下的竖向位移计算结果如图8所示，位移单位为mm。

在汽车荷载作用下的计算结果表明：该特大桥主桥中跨跨中最大竖向位移为48.92 mm

4.2.4 停工期悬臂段下挠值计算

各桥悬臂段停工4个月的累计挠度如图9所示。由计算图可知经过冬季停工期，在恒载、预应力和混凝土收缩徐变累计作用下：该特大桥主桥14号梁段悬臂端最大竖向位移为3.65mm（竖直向上），0号块最大竖向位移为-5.26mm（竖直向下）;

4.3 主桥下部结构计算

主要计算停工双悬臂阶段主墩墩身及系梁强度验算。

4.3.1 计算荷载

（1）施工阶段设计风速：该桥址处的基本风速，地表类别按照D类考虑，地表粗糙度系数为，根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG D60-01-2004），設计基准风速按照下式求得：

考虑施工阶段10年重现期，则10年重现期下施工阶段设计风速为：

主梁的基准高度参照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG D60-01-2004）第3.2.3条规定取值。考虑到部分桥墩采用变截面形式，桥墩风荷载采用分段施加节点荷载的方式考虑，分段长度为1m一段，Z表示每一个分段中心距离地面的距离。

（2）施工阶段主梁风荷载：参考《公路桥梁抗风设计规范》JTG /T D60-01-2004第3.2.3条规定，在横桥向风荷载作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载可按下式计算：

由于最大双悬臂阶段，主梁护栏等未施工，因此采用主梁实际梁高，取值为4～11m。阻力系数按照规范中第4.3.1条规定取值。

主梁的顺桥向风荷载按照横桥向风荷载的0.25倍取值;两幅桥之间相互遮挡时，遮挡系数按照0.5倍取值。

（3）施工阶段主墩风荷载：参考《公路桥梁抗风设计规范》JTG D60-01-2004第4.4.1条规定，桥墩上的顺桥向及横桥向静风荷载可以按照下式计算：

阻力系数按照规范第4.4.2条规定取值，结构高宽比选用40。由于桥墩风荷载采用分段施加节点荷载的方式考虑，分段长度为1m一段，则表示每一个分段的迎风面积。两幅桥之间相互遮挡时，遮挡系数按照0.5倍考虑。

考虑单侧挂篮脱落的动力放大系数为2，该荷载仅用来校验结构安全性，停工阶段应采取一定的措施以保证挂篮不会发生脱落。

4.3.2 荷载组合

停工双悬臂阶段主墩及系梁验算组合分为：恒载+横桥向百年风;恒载+顺桥向百年风;恒载+顺桥向百年风+单侧挂篮脱落[7]。

4.3.3 主墩计算

（1）主墩强度验算

根据计算结果，停工阶段该特大桥主桥各桥墩墩身顺桥向和横桥向的抗压承载力均满足要求，系梁抗弯承载力满足要求。

（2）结构稳定验算

停工阶段结构的稳定计算结果见表5，各主墩屈曲的模态见图12。

根据计算结果，停工阶段该特大桥主桥各桥墩一阶屈曲模态特征值均大于4，稳定性满足要求。

5.验算结论及建议

5.1结构验算结论

经计算，按照既定工期安排，考虑停工周期的时间效应影响，该特大桥主桥主梁内力分布影响较小，可满足受力要求，但对结构成桥线型有一定影响。停工期间双悬臂阶段主墩的承载能力及稳定性满足规范要求。

5.2建议

1.针对停工期间的结构计算时未计入施工期间桥面临时荷载的影响。停工期间，建议尽量减少或撤除桥面临时荷载（施工机具及材料堆放），采取措施确保挂篮锁定可靠，同时应对外露锚具、锚头进行必要的防护处理。

2.停工期间应做好防积雪措施，检查排水管道以确保通畅，及时清理桥面积雪，安排相关人员定期测量结构线型及偏位情况。

3.由于停工时间较长，时间荷载效应下主梁线型会有一定影响，墩顶位置均会出现一定程度的下挠，建议监控量测过程中，提前预抛相应节段标高以补偿下挠损失。

参考文献

[1] 李宏刚. 浅谈苦心海大桥小角度斜跨地方道路钢箱梁桥施工专项方案[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2018， 14（2）： 233-234.

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[3] 徐宇宏. 桥梁挂篮悬臂浇筑法施工技术[J]. 建筑技术开发， 2018， 45（20）： 95-96.

[4] 马玉全. 缆索支承桥梁A型扭转钢壳混凝土索塔方案[J]. 广东公路交通， 2018， 44（5）： 37-41.

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[6] 杨海平，马悦. 某斜拉桥成桥阶段合理受力状态分析[J]. 重庆建筑， 2018， 17（7）： 56-58.

[7] 曹旭华，陈海斌，彭志苗，等. 江湾大桥主桥结构设计与静力分析[J]. 城市道桥与防洪， 2019， 13（3）： 91-94.

作者简介：韦正茂（1985-），男，汉族，甘肃靖远人，大学本科，工程师，主要从事公路工程施工管理工作。