先简支后连续结构体系的施工工序优化

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　　摘 要：本文结合一座典型装配式部分预应力混凝土连续箱梁桥为研究工程背景，分析关键截面的应力、挠度随不同施工工序的变化情况，采用优化技术来寻找合理的、最优的施工工序。
　　 关键词： 先简支后连续结构体系施工工序 优化技术 组合箱梁
　　1 引言
　　 近年来，随着我国高速公路建设的飞速发展，出现了大批长桥，如高架道路、跨越海湾和湖泊的桥梁等，有的桥梁总长达到数十公里。这些桥梁对跨径并没有特殊的要求，而从经济性考虑则多选用中、小跨径桥，而一些大桥的引桥也常常采用中小跨径桥。由于现浇连续梁的施工复杂繁琐、费工费时，但高速公路又要求桥梁具有较好的连续性能、较少的伸缩缝构造等，以提供高速、平稳、舒适的行车条件，所以人们一直希望将简支梁的批量预制生产和连续梁的优越性能结合起来，实现用梁或板批量预制生产的方式来加快连续梁的建设速度，同时省去繁琐的支模工序。先简支后连续施工方法即是在这一情况下应运而生的，也即将整跨梁预制、架设就位后，在支座处通过现浇接头、待混凝土强度达到规定值后张拉预应力实现结构连续的方法。同时，“先简支后连续”的含义也在不断扩展不仅包含了早期的桥面连续、桥面板连续、普通钢筋实现结构本身的连续、使用预应力实现结构本身的连续等内容；而且含盖了利用钢梁或混凝土梁作为简支构件，在现浇混凝土板内利用预应力实现结构连续的钢－混凝土组合梁桥的后连续问题；“后连续”的内容也从最早的纵向连续扩展到横向上桥面板的连续问题（使用普通钢筋或预应力筋）。一直以来，设计和施工单位对先简支后连续结构体系的后连续工序存在着分歧，设计施工图上的施工工序常常因现场的实际条件而改变，出现设计方提出的施工工序最终被其他工序所替代的情况。这主要是对先简支后连续结构体系的后连续施工工艺缺乏力学特性的认识。同时，许多施工单位对临时支座的拆除过程的“优化、合理”这一概念没有足够的认识，大多是随机的拆除，不注意拆除的顺序。事实上临时支座的拆除和临时支座的设计具有同样的意义，况且支座的拆除对施工组织来说并没有多大的困难，优化的结果有较强的可操作性。
　　2 优化原理
　　 所谓最优，系指在满足某种限制的条件下达到给定目标的最佳效果。目标函数是设计变量的函数，是优化追求的目标。在常规的优化设计中，目标函数一般取为结构的重量最轻或结构的造价最少。但在对施工工序优化时，追求的目标是避免一些点的应力、位移在某一种工况下之间变化太大。合理、最优的工序应该系指满足施工建设速度快、人力以及设备资源利用合理等条件下，使结构体系中的一些点尤其是关键点的应力、位移变化最为均匀的施工顺序。对于先简支后连续结构体系的施工工序优化主要包括端部浇筑和后连续预应力筋的张拉顺序和临时支座拆除顺序。
　　 先简支后连续结构体系施工工序的关键问题就是如何最大限度的保证后连续端部的顶面抵抗桥面裂缝的效果，即如何保证后连续端部储存最大的弹性压缩量，以此来抵抗二期恒载和活载引起的支座处桥面板的负弯矩，从而达到连续梁的效果。本文主要讨论以下几个工序，以确定合理的端部浇筑和预应力筋张拉顺序：
　　 1.简支梁架设完毕后，端部材料一起浇筑，由一端部开始依次向另一端部逐渐张拉后连续预应力筋；
　　 2.简支梁架设完毕后，端部材料一次性浇筑，采用隔跨张拉预应力筋，即先张拉1＃、3＃端部，而后张拉2＃、4＃端部；
　　 3.简支梁架设完毕后，端部材料一次性浇筑完毕后，对称张拉预应力筋，即先张拉1＃、4＃端部，而后张拉2＃、3＃端部；
　　 4.浇筑一个端部后，待到混凝土强度达到规定值后张拉，而后浇筑第二个端部，而后张拉第二个端部的连续预应力筋，依次类推；
　　 5.对称浇筑，对称张拉，即先浇筑1＃、4＃端部，当混凝土达到设计强度以后，张拉后连续预应力筋；而后浇筑2＃，3＃端部，当混凝土达到设计强度以后张拉预应力筋；
　　 6.隔端浇筑、隔端张拉，即先浇筑1＃、3＃端部，张拉预应力；而后浇筑2＃、4＃端部，张拉预应力筋；
　　 7.先浇筑1＃、4＃端部，当混凝土达到设计强度以后，张拉后连续预应力筋；接着浇筑2＃端部，当混凝土达到设计强度以后张拉预应力筋。而后浇筑3＃端部，当混凝土达到设计强度以后张拉预应力筋。此施工顺序即是本工程实例的施工顺序。
　　
　　
　　
　　图1 施工工序优化各端部和各张拉预应力筋示意图
　　 先简支后连续结构体系的施工由于要经过体系转换过程，因此涉及到临时支座的拆除这一特定的工序。原设计中临时支座采用硫磺砂浆制作，临时支座熔化时应防止高温影响永久支座质量。临时支座顶面应以永久支座顶面保持齐平，以保证永久支座与混凝土接触但不受力，永久支座顶面钢板直接与接头混凝土底部浇在一起。但这种临时支座会带来箱梁底部烧伤、影响美观等一系列问题，所以现在采用的临时支座多为砂箱。临时支座采用的铁板砂箱即是先将铁板砂箱的出砂口关闭，装满河砂，扦插密实，而后将其平稳的放置在事先放好线的盖梁上，砂箱顶标高比永久支座顶标高高3～5mm，待现浇混凝土达到规定值后则进行后连续预应力钢绞线的张拉及管道灌浆等，最后拆除临时支座。由此可见，欲使永久支座起作用，盖梁永久支座上方的组合箱梁至少要有不少于3～5mm的沉降量。由于临时支座不是一次性同时完成拆除，不同永久支座处的相对位移势必会引起组合箱梁的应力重分布，究竟采用什么样的拆除顺序方能将该相对位移产生的应力重分布的不利影响降至最低，是本文值得研究的。
　　 临时支座拆除以后，永久支座起作用的前提条件是橡胶支座必须有一定的变形，永久支座的压缩量及其与临时支座的高差的大小是寻找临时支座拆除的最合理工序的关键因素。这一数值的大小对拆除过程中结构体系的应力变化起到主导性的作用。把临时支座拆除引起的永久支座的压缩量和永久支座和临时支座的高差作为永久支座处节点的强迫位移，来分析永久支座的沉陷对整个结构体系的影响。本文主要考虑以下几种临时支座拆除的顺序：
　　1.依次从一端到另一端的顺序拆除；
　　 2.按照隔跨拆除的原则拆除，即先拆除1、3号墩部的临时支座，而后拆除2、4墩部的临时支座；
　　 3.对称拆除，即先拆除1、4号连续端的临时支座，而后拆除2、3号连续端的临时支座。
　　
　　
　　
　　图2 临时支座拆除优化各端部及各支座示意图
　　3计算结果及分析
　　3.1端部浇筑和后连续预应力筋的张拉顺序
　　 本文利用通用有限元程序对不同的后连续端部的浇筑及后连续预应力的张拉进行分析，以期找出最合理的施工工序。在进行分析时由于篇幅原因，仅列出前两种工况，而对其余五个工况仅给出结论。在进行工序优化分析时，主要考虑不同的施工工序各跨的跨中挠度和支座处端部的顶面、底面的拉压应力变化情况。工况一、工况二分析结果见表1、2。
　　 五跨连续后各端部张拉时各跨的跨中挠度表1
　　
　　
　　
　　 五跨连续后各端部张拉时各端部顶面、底面的应力表2
　　
　　
　　
　　 从以上计算结果可知：对于工况一，四个端部一次性浇筑后，张拉第一个后连续预应力筋所引起的1＃跨跨中组合箱梁挠度为4.2140mm，而对2＃跨的跨中挠度影响很大。由此可见，2＃、3＃、4＃端部的存在对1＃号端部的张拉效果有明显的影响，而1＃端部对3＃跨以后的跨中挠度影响很小。对此工况其他端部这种张拉预应力筋方式可以得出相似的结论。四个端部预应力张拉后的整体效果同浇一个端部张拉一个端部预应力筋工况相比，挠度的总体效果差别还是很大的。可见施工顺序对成桥后的总体效果较大的影响，考虑到实际的施工组织情况，利用“隔跨影响较小”和“隔端影响较小”的结论，施工中没有必要一定做到对称浇筑和对称张拉，为了提高施工速度，“隔跨浇筑”和“隔跨张拉”即可。应力也表现为“隔跨影响较小”和“隔端影响较小”的规律。工况二中也可以得出1＃、3＃端部张拉对5＃跨影响最小；同样，2＃、4＃端部张拉对1＃跨影响也最小。对于后面的几种工况的计算分析同样能得出上面相似的规律。建议的具体施工顺序见图3。

　　
　　
　　
　　图3 建议的具体施工顺序示意图
　　3.2 临时支座拆除顺序
　　 根据上述的优化思路，结合几种可能的拆除工序，对不同的临时支座拆除顺序所引起的先简支后连续结构体系的应力、变形特性进行分析，以找出合理的拆除工序。在分析时，仅考虑支座拆除本身所引起的应力、变形，而没有对端部浇筑和后连续预应力筋的张拉顺序所引起的效果作相应的叠加。工况一、二、三分析结果见表3、4。
　　拆除临时支座所引起的各跨的连续梁挠度变化值 表3
　　
　　
　　
　　由表3可知：对于依次拆除临时支座的工况，1＃临时支座的拆除对端跨的影响最大，而2＃和3＃临时支座的拆除均引起端跨一定程度的影响且呈上升趋势；对于隔跨拆除临时支座的工况，两者对结构体系的影响均比较小，如1＃、3＃临时支座的拆除并没有在端跨引起更大的下沉挠度，与依次拆除临时支座会引起端部梁的“附加挠度”相比，它对端跨影响较小。由表4可知：对于工况一，1＃临时支座的拆除在1＃支座处端部底面产生的拉应力最大，约为0.9328MPa，1＃临时支座处端部底面的拉应力随着2＃和3＃的拆除而有相应的减小，与相应工况挠度的变化规律是相协调；对于工况二，1＃和3＃临时支座的拆除所引起的2＃端部顶面的拉应力为1.1859MPa，与后连续端部所储存的压应力小得多，它对3＃后连续端部的底面产生了拉应力，但是该应力会很快随着2＃和4＃临时支座的拆除而消失，2＃和4＃临时支座的拆除所引起的应力具有相似的规律；对于工况三的对称拆除临时支座并没有在后连续端部产生明显的不利应力，但是在3＃跨的跨中产生了7.2936mm的附加挠度（向下）甚至比一个后连续端部预应力张拉产生的跨中挠度（向上）还大。这是不希望得到的。建议的临时支座拆除顺序可见图4。
　　临时支座拆除所引起的后连续端部的顶面、底面的应力表4
　　
　　
　　
　　图4 建议的临时支座拆除顺序示意图
　　4结语
　　 通过上述研究分析，可以得到如下结论：
　　后连续端部及后连续预应力的最佳施工方法为“隔跨浇筑，隔跨张拉法”；如果由于条件限制需要采用一次性浇筑各个端部，则后连续预应力的张拉顺序可根据施工中的方便自由选择，最终的效果相差不大。
　　临时支座的拆除对于不同的后连续跨数有着不同的最合理工序。对于目前的后连续跨数多大于5，建议临时支座拆除原则为“隔跨拆除”，而不是目前设计中经常建议的对称拆除。
　　
　　参考文献
　　付东阳、房贞政、上官萍.高等级公路桥梁先简支后连续体系研究，福州大学学报，1997年（增刊）
　　陈强.先简支后连续结构体系研究.浙江大学博士学位论文，2002年
　　丁如珍、淡长庆.恒载简支、活载连续、支点不转换的连续梁桥设想.华东公路，1996（2）
　　陈鹿.超静定多跨连续梁体系转换中应注意的问题.铁道标准设计.1999（4）
　　诸葛温君. 谈谈先简支后连续板梁施工工艺，浙江交通科技.2001（3）
　　装配式部分预应力混凝土连续箱梁桥的施工注意事项.江苏省交通规划设计院.2000年
　　装配式部分预应力混凝土连续箱梁桥的施工通用图. 江苏省交通规划设计院.2003年
　　
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