预应力混凝土连续刚构桥悬臂状态施工阶段应力\变形及稳定性分析

摘要： 以江西省某特大预应力混凝土连续刚构桥为工程实例，研究了悬臂施工阶段的施工荷载效应，总结了连续刚构桥悬臂施工阶段的受力特征。

关键词：连续刚构桥； 悬臂施工；施工荷载

中图分类号：U448.23文献标识码： A

1工程概况

江西省某特大预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为 110+2×200+110m。桥梁上部结构采用单箱单室箱型截面，跨中梁高 4.0m，墩顶梁高 11.0m，墩顶与跨中之间梁高按二次抛物线变化。采用纵、横、竖三向预应力体系。箱梁顶板厚为 28cm，底板厚由跨中 35cm 按二次抛物线变化至根部 140cm，梁顶顶板宽 13.5m，底板宽 7.0m。腹板厚分别为 0.4m、0.6m，墩顶箱梁顶板厚 0.5m，底板厚 1.5m，腹板厚 1.0m。除桥墩上箱梁块件内设置 4 道横隔板外，其余箱梁均不设横隔板。桥梁下部结构采用双薄壁空心墩，最大墩高 98m，钻孔灌注桩基础。

2施工荷载加载工况

2.1风荷载计算

根据《公路桥梁抗风规范》（JTG/T D60-01-2004）的规定，对悬臂施工中的连续刚构桥，应对其最大双悬臂状态进行详细的风荷载分析。风荷载的计算采用《公路桥函设计通用规范》（JTG D60-2004）的规定。桥墩的顺桥向风荷载标准值按横桥向风压的 70%乘以桥墩迎风面积计算。得到的风荷载计算结果如表1与表2。

表1 对称加载下的单元横向风荷载(选取部分)

表 2 非对称加载下的单元横向风荷载（选取部分）

表 3加载在各单元上的顺桥向风荷载

2.3加载工况

本文采用下面 6 种荷载工况对大跨径连续刚构桥最大悬臂状态施工阶段进行了应力、变形及稳定性的分析。

工况 1：自重+预应力+挂篮；工况 2：自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差；工况 3：自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向对称风荷载；工况 4：自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向非对称风荷载；工况 5：自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向单侧风荷载；工况 6：自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+顺桥向风荷载。

3最大悬臂状态应力分析

3.1主梁上缘应力分析

工况 1（自重+预应力+挂篮）和工况 2（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差）均未考虑风荷载的作用，最大悬臂状态施工阶段在工况 1 的作用下，由于预应力的作用，主梁上缘没有出现拉应力，而在工况 2 的作用下主梁上缘在 11 号节点处出现了 0.75MPa 的拉应力。对工况 1 和工况 2 的对比分析可以看出：在最大悬臂施工阶段“T”构的左侧工况 2 在主梁上缘产生的压应力比工况 1 产生的压应力降低，最大降低 2.6MPa。而在“T”构的右侧工况 2 在主梁上缘产生的压应力比工况 1 产生的压应力增加，最大增加 1.9MPa。

工况 3 至工况 6 是在工况 2 的基础上分别考虑了横桥向对称风荷载、横桥向非对称风荷载、横桥向单侧风荷载和顺桥向风荷载的作用。结果分析可以看出，最大悬臂状态施工阶段，风荷载对主梁上缘应力的影响依然存在。以工况 2 的受力状态为基准，工况 3（考虑横桥向对称风荷载）对“T”构主梁上缘应力的影响最大，在 33 号节点处使得压应力增加 1.7MPa。而工况 4、工矿 5 和工况 6 对主梁上缘的应力影响都相对较小，在这些工况作用下主梁上缘应力值都接近于工况 2。

3.2主梁下缘应力分析

工况 1（自重+预应力+挂篮）和工况 2（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差）均未考虑风荷载的作用，最大悬臂状态施工阶段在工况 1 的作用下，即“T”构在自重和挂篮两端平衡荷载的作用下，主梁下缘产生的压应力是对称的，最大值为 12.90MPa，而在工况 2 即考虑了施工过程中可能出现的不平衡荷载的作用，主梁下缘的应力变化发生了较大变化，在“T”构的左侧，即荷载大的一侧压应力明显增加，其中在 15 号节点处增加了 3.1MPa，而在“T”构的右侧，即荷载小的一侧，主梁下缘的压应力减小，其中在 50 号节点处减小的最明显，为2.37MPa。

在最大悬臂状态施工阶段，梁体总体上都是处于受压的状态中(工况 2 的作用下主梁上缘在 10 号节点处出现了 0.40MPa 的拉应力，但是其值很小，在规定允许的范围以内)，因此，梁体在最大悬臂状态施工中应力满足要求。

4最大悬臂状态变形分析

4.1顺桥向位移

最大悬臂状态在工况 1（自重+预应力+挂篮）、工况 2（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差）和工况 6（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+顺桥向风荷载）的作用下主梁顺桥向位移变化图见图1。

图 1 工况 1、工况 2 和工况 6 作用下主梁顺桥向位移变化图

由此可见“T”构在非对称荷载工况(工况 2、工况 6)作用下，发生了向荷载大的一侧移动的倾斜现象。由于工况 6 考虑了顺桥向风荷载，又使得这种现象加剧。

4.2横桥向位移

最大悬臂状态在工况 3（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向对称风荷载）、工况 4（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向非对称风荷载）和工况 5（自重+预应力+不平衡荷载+单侧挂篮跌落+5%箱梁自重误差+横桥向单侧风荷载）作用下主梁横桥向位移变化图如图 2。

图 2 工况 3、工况 4 和工况 5 作用下主梁横桥向位移变化图

4.3竖向位移

最大悬臂状态在工况 1 作用下，两侧的竖向变形是对称的，而在工况 2 的作用下，主梁的左侧下挠明显增加，最大值达到 35.4mm，右侧出现上抛现象，最大上抛值达到 31mm。可见不平衡施工荷载对最大悬臂状态的竖向变形影响很大，在施工中应尽量减少出现较大的不平衡荷载。最大挠度并不是出现在悬臂自由端，而是出现在距悬臂自由端大约 1/8 悬臂长度。

5最大悬臂状态稳定性分析

各种工况作用下的临界荷载系数见表4。

表4最大悬臂状态临界荷载系数

从表 4 可以看出：工况 1 的一阶临界荷载系数最大，在施加的荷载为不平衡荷载的工况 2 到工况 6 临界荷载系数有所降低；考虑了风荷载的工况 2 到工况 6 的一阶临界荷载系数相同。由此可见不平衡荷载能够降低最大悬臂状态的稳定性；风荷载对最大悬臂状态结构的稳定性影响较小。

6结束语

本文以某特大连续刚构桥为背景，分析了施工荷载对大跨径连续刚构桥最大悬臂状态的变形、应力和稳定性的影响。由分析可知：

1）竖向不平衡荷载效应对主梁的应力和变形影响较大，甚至会使主梁上缘产生拉应力。

2）风荷载会使主梁产生较大的顺风向位移，而对主梁应力的影响较小，且对最大

悬臂状态的稳定性有一定影响。

参考文献

[1]雷俊卿. 桥梁悬臂施工与设计[M]. 北京： 人民交通出版社，2000

[2]项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 北京：人民交通出版社，2001

[3]贺栓海. 桥梁结构理论与计算方法[M]. 北京：人民交通出版社，2003