分次张拉下高支架短线预制宽幅混凝土梁拼接前安全性分析

Safety analysis of short-line precast wide-width concrete beams with high support before splicing under fractional tensioning

摘要

为了保证高台短线预制宽幅混凝土梁段在拼接前的施工安全，该文以观音寺长江大桥江陵侧混凝土梁及移梁支架为研究对象，采用Midas FEA/Civil分别建立梁段实体模型和支架梁单元模型，对拼接前各施工阶段的横向受力、变形和移梁过程中支架变形对梁段受力的影响进行计算分析。考虑实际施工过程和混凝土收缩、徐变影响，确定合理的预制梁段横向预应力分次张拉方案。计算结果表明：在拼接前以横向受力为主的预制梁段，横向预应力须分次张拉；分次张拉的时机和程度应与体系转换的时机和支撑条件的具体情况相适应；移梁支架的变形对梁段4个支点不均匀沉降的影响较小，但仍需考虑对梁段受力产生的不利影响。

Abstract

To ensure the construction safety of the short-line precast wide-width concrete beam section on a high platform before splicing, the concrete beam and beam shifting support on the Jiangling side of the Guanyinsi Yangtze River Bridge were taken as the research object. Midas FEA/Civil was adopted to establish the solid model of the beam section and the beam element model of the support, respectively. The transverse stress and deformation in each construction stage before splicing, and the influence of support deformation on the stress of the beam section during beam shifting were calculated and analyzed. Considering the actual construction process and the influence of concrete shrinkage and creep, a reasonable transverse prestressed fractional tensioning scheme for the precast beam section was determined. The calculation results indicate that the transverse prestress of the precast beam section, which is mainly subjected to transverse stress before splicing, must be tensioned fractionally; the timing and degree of fractional tensioning should be adapted to the timing of system conversion and the specific conditions of supports; the deformation of the beam shifting support has a minor effect on the uneven settlement of the four supporting points of the beam section, but its adverse effect on the stress of the beam section still needs to be considered.

Graphical abstract

0 引言

随着城镇化建设的快速发展和改扩建需求的日益增长，在国家重视环境影响、实施绿色公路建设的政策指导下，发展装配式结构已成为中国工程建设的主要政策导向，桥梁预制施工技术越来越受到重视^［1-3］。短线法节段预制施工技术具有预制场地小、施工周期短、施工控制容易等特点，工厂化的构件所附带的成型模具和生产设备可重复使用，减少了资源浪费，且工厂内生产的预制梁段因受外界环境影响较小，混凝土质量得以提高。同时，预制拼装可以有效减轻施工对环境的影响，有利于环境保护^［4-7］。但随着交通流量的增长，宽幅桥梁应运而生，目前预制梁段的宽度基本在30 m以上。对于宽幅预制梁段，横向受力问题日益突出，另外宽幅梁段结合面面积更大，梁段在存梁后能否在误差范围内高质量地胶拼成梁，成为工程界日益关心的问题^［8-10］。为了确保施工过程安全和梁段顺利胶拼，有必要对混凝土梁在考虑时变特性影响下的施工过程中的安全性进行专题研究。目前已有少量对短线法预制梁段分次张拉的研究，主要描述了在已有张拉方案下预制梁段施工期的力学行为特点，以确保施工安全，但对于如何确定合理的横向预应力张拉方案，以及预制梁段在进行高台移梁时的安全性均未研究^［11-13］。本文以观音寺长江大桥江陵侧混凝土梁为研究对象，分析短线预制宽幅混凝土箱梁在施工过程中的横向受力安全及移梁支架变形对预制梁段在移梁时安全性的影响，为预制梁段横向预应力分次张拉方案的合理确定和确保预制梁段拼接前的施工安全提供思路和方法。

1 工程概况

观音寺长江大桥主桥为双塔双索面混合斜拉桥，桥跨布置为：（62+64+2×72+80）m+1 160 m+（96+72+2×64+54） m，半漂浮体系，钢混结合面位于北塔主跨侧27 m处，立面布置如图1所示。

江陵侧采用预应力混凝土箱梁，预制混凝土梁全长377 m，宽41.0 m，标准梁段中心线处梁高4.0 m，顶板厚50 cm，内腹板厚65 cm，平底板厚50 cm，斜底板厚50 cm；横隔板厚40 cm，顺桥向横隔板标准间距7.5 m；横桥向箱梁底板水平，桥面双向横坡2%。边跨梁段采用短线预制拼装法施工，共49个节段，划分为22类（A~P），节段长为4.35 m、6.00 m、6.50 m、7.25 m、7.50 m、7.75 m、8.00 m、8.50 m。标准梁段长7.50 m，标准梁段横截面如图2所示。

标准梁段横向预应力束共有3类，分别为顶板束、底板束和横隔板束。横隔板束G1a（17{\varphi }^{\mathrm{s}}15.2 mm）有2束，G1b（17{\varphi }^{\mathrm{s}}15.2 mm）有1束；顶板束T1（3{\varphi }^{\mathrm{s}}15.2 mm）有17束，底板束B1（4{\varphi }^{\mathrm{s}}15.2 mm）有15束，标准梁段横向预应力束布置如图3所示。

2 高台短线预制宽幅梁段安全性分析

观音寺长江大桥预制混凝土梁段采用高台预制移梁架设施工方法。其总体施工思路为：① 在边跨过渡墩处搭设高台预制支架，采用短线匹配法预制预应力混凝土梁段；② 梁段预制完成后通过牵引系统在移梁支架上将梁段移至安装位置附近等待安装。

使用该施工方法会产生两个安全问题：

（1） 宽幅预制梁段的横向受力安全问题。在浇筑养护期间预制梁段处于满堂支架支承状态，达到强度后脱模移至匹配位去匹配下一预制梁段，从浇筑位到匹配位，原来的满堂支承变成四点支承（两排支点的横向距离为15.4 m）。匹配完成后梁段被移至安装位置附近，存梁期满后逐段进行胶拼。胶拼完成之后，梁段的支撑条件将由梁底四点支撑转换为斜拉索两点支撑。由于预制梁段宽度达41 m，支承条件的改变将使预制梁段横向受力问题突出。考虑到预制梁段的横向受力安全，其横向预应力筋不能一次张拉到位，否则极有可能在满堂支撑与四点支撑状态下梁顶产生较大拉应力，从而导致预制梁段出现裂缝；横向预应力一次张拉也会导致梁段变形较大，不利于相邻梁段的匹配预制和顺利拼接，因此，在施工过程中需分次张拉横向预应力筋，控制各施工阶段下预制梁段的应力和变形。

（2） 受当地河流的影响，横向两行移梁支架（分别对应预制梁段的横向两排移梁支点）跨径布置不完全相同。当预制梁段在高台移梁支架上移动时，预制梁段的4个移梁支点会存在不均匀的沉降，从而导致预制梁段在移梁过程中出现额外的附加应力，因此，需要对预制梁段在移梁过程中的受力安全进行计算分析。

2.1 分次张拉方案

分次张拉的原则：预制梁段在整个施工过程中支承条件有两次改变，存在两次体系转换。根据体系转换的次数一般对预制梁段的横向预应力分三次张拉到位：第一次张拉时机在混凝土浇筑完成并形成强度后，主要为了保证预制梁段在由满堂支架支承转换为四点支承时的受力安全和下一梁段在相对变形较小的情况下进行匹配预制；第二次张拉时机在下一梁段匹配预制完成之后、本梁段移梁之前，故为了保证预制梁段在移梁、存梁过程中有足够的压应力储备，防止预制梁段在移梁、存梁期间因意外情况发生开裂，须在移梁之前对梁段进行第二次张拉；第三次张拉时机在梁段胶拼之后、斜拉索安装之前，这时所有横向预应力均张拉到位。

2.2 横向预应力张拉理论计算

由于观音寺长江大桥预制梁段种类较多，限于篇幅，现仅以江陵侧10号梁段（标准梁段，混凝土标号为C60）为例，采用Midas FEA有限元分析软件进行横向预应力分次张拉分析^［14-17］。该梁段的有限元模型如图4所示，单元类型为三维实体单元，整个模型共10 138个单元，26 168个节点。在预制梁段拆模之前边界条件为梁段整个底面竖向约束，拆模之后为四点支承，其中1个固定铰支座，3个活动铰支座，支座布置如图5所示。梁段在整个施工过程中主要承受梁段自重和预应力荷载。在Midas FEA中预应力筋的处理方式与Midas Civil的处理方式相同，预应力张拉采用后张法，两端张拉，张拉控制应力为1 395 MPa。计算分析考虑了混凝土收缩、徐变^［18-20］和实际的施工过程，徐变系数和收缩应变随时间的变化如图6、图7所示，施工阶段划分如表1所示。

横向预应力第一次张拉主要是为了确保脱模后的受力安全，以及脱模后梁段中心线处和风嘴处的竖向位移尽可能小，以利于下一梁段的匹配预制。通过试算可得，当张拉全部顶板束（T1束）至100%时可满足此要求。横向预应力第一次张拉并脱模后梁段应力和竖向位移如图8、图9所示。

由图8可知：预制梁段整体处于受压状态，压应力最大值为-2.15 MPa，小于压应力限值-26.95 MPa，在风嘴处存在较小拉应力，其值为0.33 MPa，小于拉应力限值1.97 MPa，预制梁段受力安全。

由图9可知：风嘴位置和跨中位置处竖向位移分别为-0.38 mm和-0.55 mm，竖向位移均较小，满足与下一梁段的匹配预制要求。

横向预应力第二次张拉时，为使预制梁段内具有足够的压应力储备，对所有的底板束B1和横隔板束G均进行张拉。不同张拉程度下梁段上、下缘应力分布如图10、图11所示。

由图10、图11可知：随着张拉程度的增大，梁段下缘压应力储备不断增大。

横向预应力第二次张拉后，预制梁段的竖向位移如图12、图13所示。

由图12、图13可知：随着底板束和横隔板束的张拉程度增大，预制梁段风嘴处的竖向位移也随之增大。当竖向位移过大时，会影响后续相邻梁段的顺利拼接。因此，需要综合考虑第二次张拉后预制梁段的上下缘应力和竖向位移结果，确定横向预应力第二次张拉方案为：对所有底板束B1和横隔板束G张拉至张拉控制应力的40%。

预制梁段在横向预应力第二次张拉后，均为压应力，最大压应力为-3.28 MPa，小于压应力限值-26.95 MPa；风嘴位置和跨中位置处竖向位移分别为-4.9 mm和-0.03 mm，位移量较小。可见预制梁段横向预应力的第二次张拉不仅确保了下一步移梁和存梁的安全，同时为后续相邻梁段的顺利拼接创造了有利条件。

通过上述分析，确定预制梁段横向预应力分次张拉方案为：第一次张拉在混凝土浇筑完成并形成强度后，张拉所有顶板束T1，至控制应力的100%；第二次张拉在下一梁段匹配预制完成之后、本梁段移梁之前，张拉底板束B1及横隔板束G至张拉控制应力的40%；第三次张拉在梁段胶拼之后、斜拉索安装之前，张拉底板束B1及横隔板束G至张拉控制应力的100%。

2.3 移梁支架变形对预制梁段受力影响

观音寺长江大桥移梁支架为混凝土灌注桩+承台+立柱+钢横梁+轨道梁的结构形式。移梁支架横向分左、右两侧。左侧移梁支架跨径布置为第一孔（9.3+11.4×3+9.3） m+6.2 m+第二孔（10.9+12×3+10.9） m+6.2 m+第三、四孔（10.45×2+12×2+10.45×2+6.2） m×2+第五孔（10.45×2+12+10.45+8.5+7.5+11.1+7.5+8.5+10.45） m。右侧移梁支架第三孔跨径布置为（10.45×2+5+12+7+10.45×2） m，其余孔跨径布置均与左侧的相同。

移梁支架的钢管立柱直径分为1.4 m、1.0 m两种，其中1.4 m钢管立柱壁厚22 mm，1.0 m钢管立柱壁厚16 mm；钢管立柱之间采用直径63 cm、壁厚8 mm钢管进行联系；钢管立柱顶部搭设140 cm×90 cm横梁；纵向移梁钢箱设计尺寸为200 cm×120 cm；右侧的纵向分配梁钢箱设计尺寸为200 cm×150 cm。纵向移梁钢箱和纵向分配梁钢箱钢材型号为Q345，立柱和横系梁钢材型号为Q235。

对左、右两侧移梁支架跨径布置不相同的第三孔进行计算分析。左、右两侧第三孔移梁支架立面布置如图14、图15所示。

2.3.1 移梁支架有限元模型

采用Midas Civil有限元软件建立第三孔移梁支架有限元计算模型，单元类型为梁单元，轨道梁与横梁、横梁与钢管立柱均采用弹性连接，立柱底部设置为固结。计算模型如图16所示。

2.3.2 移梁支架变形分析

移梁支架变形由两部分组成，分别为移梁支架在自重状态下产生的变形{{\rm X}}_{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{a}\mathrm{d}}、预制梁段在移梁时作用于支架上产生的变形{{\rm X}}_{\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{m}}。支架变形计算公式为：

{{\rm X}}_{\mathrm{s}}={{\rm X}}_{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{a}\mathrm{d}}+{{\rm X}}_{\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{m}}（1）

左、右两侧支架在自重作用下的变形如图17所示。移梁支架在自重作用下产生的竖向变形较小，最大值为-0.52 mm。

受篇幅所限，以最重的4号梁段（1 569 t）的移梁过程为例，左、右轨道产生的变形如图18所示。

由图18可知：距起点距离22 m处，左、右轨道的变形差最大，达到2.0 mm。由图17、18可知：轨道在自重作用下产生的变形差与移动梁段作用下产生的变形差的极值点位置相近，均在距起点距离22 m处。根据公式（1）计算得到移梁支架总变形，如图19所示。

不同类型预制梁段的支座纵向距离略有不同，取值范围为3~4 m。移梁支架轨道模型每个单元长度为1.2 m，考虑预制梁段支座的纵向距离约为轨道3个单元的距离，据此确定预制梁段4个支座的沉降量。

当预制梁段同侧支座发生均匀沉降时，只会使梁段发生横向或者纵向的转动，对梁段受力没有影响；设预制梁段四点变形量分别为{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{1}}\mathrm{、}{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{2}}\mathrm{、}{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{3}}\mathrm{、}{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{4}}，简化模型如图20所示。

默认2号点与原点重合，1~2方向为梁段纵向，可得4个支点坐标分别为\mathrm{1}(\mathrm{0,4},{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{1}})，\mathrm{2}(\mathrm{0,0},{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{2}})， \mathrm{3}(\mathrm{15.4,0},{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{3}})，\mathrm{4}(\mathrm{15.4,4},{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{4}})，根据1、2、3号点的坐标可以确定唯一的一个平面\mathrm{\Omega }，4号点相对于其他三点的不均匀变形量L，即4号点到平面\mathrm{\Omega }的垂直距离。

1、2、3号点组成平面方程为：

\frac{\mathrm{5}({{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{2}}-{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{3}})}{\mathrm{77}}x-\frac{({{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{1}}-{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{2}})}{\mathrm{4}}y+z-{{\rm X}}_{\mathrm{s}\mathrm{2}}=\mathrm{0}（2）

将四点数值代入Matlab程序中，得到不均匀变形量L。

在移梁期间，受施工影响，梁段左右两侧可能会出现不同步现象。现以左右不同步30 cm为例，根据左、右支架变形差确定预制梁段4个支点的坐标，并确定不均匀变形量L，结果如图21所示。

由图21可知：在整个移梁过程中，当梁段同步时，后支点在距起点距离17 m、29 m时，4号支点发生较大的相对变形，分别为1.00 mm、1.05 mm；当梁段有30 cm不同步时，4号支点的最大相对变形值为1.05 mm，相比于同步时增加了近5%。

2.3.3 对预制梁段受力的影响

30 cm不同步时，梁段上下缘的应力情况如图22、图23所示。

由图22、图23可知：预制梁段在移梁过程中，左、右两侧移梁支架不均匀变形导致预制梁段4个支点发生不均匀沉降，由此产生了额外的附加应力，但移梁过程中梁段受力仍然安全。

3 结论

目前观音寺长江大桥边跨混凝土梁的施工正处于预制、移梁支架搭设阶段，本文开展的计算分析，可为该桥施工方案的最终确定提供重要的理论依据和工程指导，主要结论如下：

（1） 采用Midas FEA对空间结构复杂的短线预制宽幅预应力混凝土梁段进行实体建模，在考虑施工过程和时变特性影响下计算分析受力与变形，该方法是可行的，所得结果可用于指导工程实际。

（2） 梁段分次张拉的时机和程度应与体系转换的时机和支撑条件的具体情况相适应。对于观音寺长江大桥江陵侧混凝土梁段，横向预应力第一次张拉可考虑张拉顶板束，以确保横向梁端竖向位移较小；横向预应力第二次张拉可部分张拉底板束和横隔板束，确保梁段上、下缘应力满足移梁要求，且经过存梁后横向梁端竖向位移满足后续相邻梁段拼接要求。

（3） 梁段在移梁过程中，移梁支架变形对梁段4个支点产生的不均匀沉降值较小，但由此产生的拉应力会对梁段受力造成不利影响。因此，还需要根据具体施工方案，对移梁过程中的左右不同步程度和竖向不均匀沉降给出相应限值，以对梁段应力实施更加严格的控制。

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