连续梁施工技术讲座

兰州交通大学土木工程学院苏彦江电话：[phone]QQ:657696760邮箱：[e-mail]专题讲座连续梁桥挂蓝悬臂浇注施工技术概论悬臂浇注施工法的形成悬臂浇注施工法的特点悬臂浇注施工顺序对结构受力的影响悬臂浇注施工过程中结构内力的演变悬臂浇注施工过程中结构变形及调整悬臂浇注施工过程中结构状态分析桥梁结构状态误差预应力混凝土桥梁的悬臂施工，得益于预应力混凝土技术的发展。法国预应力之父Freyssinet在1945年至1948年间率先在预应力混凝土桥梁中采用了预制悬臂拼装施工方法。此后不久，德国工程师Finsterwald首创预应力混凝土挂篮悬浇的悬臂施工新技术，并使预应力混凝土梁式桥首次突破lOOm跨度。从1950年到1965年的15年间，欧洲建造了300多座跨径在76m以上的悬臂施工预应力混凝土桥梁。至此，悬臂施工施工方法开始在世界其它地区盛行。近30年来，悬臂悬臂施工现浇施工工艺已经在世界范围内得到了迅速的发展，施工工艺方法已经成熟。悬臂浇注施工法的形成桥梁结构悬臂施工法——由墩顶以对称的形式连续向两边悬伸，一个梁段一个梁段地悬臂施工，最后完成整个上部结构的施工。桥梁结构是由各个梁段（单个块件）按现浇的方式悬臂施工连成整体。采用悬臂施工的必要条件是须保证墩顶与梁体的固结，并且桥墩能承受施工过程中的最不利非平衡弯矩。由于在悬臂施工时梁体内出现负弯矩，必须在梁体的上缘逐段施加预应力，使其与已完成的梁段连成整体。因此，悬臂施工法适用于刚架桥(例如T形刚构桥)、梁式桥(例如悬臂梁桥和连续梁桥)、连续桁架桥、斜拉桥等其它类型的桥梁。由于这些桥梁的施工受力状态与运营时的受力状态相近，不至于因施工临时需要而增加过多的材料用量。悬臂浇注施工法的特点91011121314151617181920012345678921222324252627282930123456789319101112131415161718192001234567892122232425262728293012345678931主要优点(1)经济有效。对于斜、坡、弯桥也比较容易调整。大量的设计投标和实际投资比较表明，悬臂施工法比整体施工法可以节省10％—20％的工程费用，因而合适的悬臂施工方法往往可以保证较低的投资。(2)占用桥位空间小。对现场施工条件的要求较低。有利于现场交通组织和桥位环境保护。(3)施工质量容易保证。由于悬臂施工浇筑块件的局部性，其质量要高于整体施工的大体积块件。(4)安全可靠。由于悬臂施工技术在整个施工过程中要反复使用多次，无论是机具设备还是操作人员，所进行的都是一种重复性的工作，因此具有很高的安全性和可靠性。存在的问题悬臂施工法一般具有更加复杂和严格的施工程序需要更多更先进的机具设备要求数量少但素质高的劳动力等等。更重要的问题还体现在悬臂施工过程中结构受力分析和结构状态控制的复杂性上。具体表现为：(1)悬臂施工成桥后，结构受力状态与不同的施工顺序密切相关。因此，确定各个施工阶段和成桥状态的结构受力状况显得尤为重要。而整体施工成桥后结构受力状态与施工过程无关。(2)悬臂施工过程中的结构受力体系不断变化，各个施工阶段的受力状态既相互影响又相互独立，这使得施工过程中的结构受力分析变得更加复杂和更加重要。为了确保整个施工过程的安全性，必须对关键施工阶段进行实时结构受力状态的跟踪分析和实测监测。(3)悬臂施工要经历许多施工阶段，每个阶段都不可避免地会存在施工误差、测量误差和环境误差（例如风载和温差等引起的误差等）。如何消除或修正这些误差，使得成桥后的最终结构受力状态更好地逼近于所确定的合理状态，这是桥梁悬臂施工中所面临的最大问题。悬臂施工法经过对现有材料(例如钢材和预应力混凝土)特性的进一步改进和各种适用范围的选择以及各项主要优点的发挥，与其它施工方法相比，已经显示出越来越大的优越性。如果能克服悬臂施工过程中的结构受力分析和结构状态控制方面的问题，悬臂施工法可以在更广阔的应用范围内更具竞争力。悬臂施工方法对结构受力的影响大跨度桥梁结构的悬臂施工一般总是要经历一个长期而又复杂的施工过程。随着施工阶段的推进，桥梁结构形式或结构体系、支承约束条件、荷载作用方式等都在不断地变化，结构的受力状态是随各工况逐渐累计形成的。桥梁施工是以桥梁结构最终成桥状态的结构受力(包括几何线形和截面内力)达到原定理想状态为目标的。当采用悬臂施工法时，这一目标的实现要复杂得多，主要原因在于：一方面悬臂施工要经历多个施工阶段，每个施工阶段的结构受力都将伴随着结构体系、约束条件和荷载作用的变化而变化；另一方面不同的施工方法在确保桥梁结构几何线形实现成桥状态预期目标的前提下，由于施工中结构体系的不同，对超静定结构将形成不同的成桥状态截面内力。进行结构分析时每个工况或每个阶段的结构受力分析必须独立进行，而中间施工阶段或最终成桥状态的结构受力是已经完成的各个工况或各个阶段的结构受力状态的叠加结果，因此有必要掌握和了解施工阶段和成桥状态的结构受力性能，以及施工方法和施工顺序对这种结构受力性能的影响。1）施工方法对成桥状态截面内力的影响以等截面三跨连续梁为例整体施工法悬臂施工法逐跨施工法逐段施工法顶推施工法一次落架施工法悬臂分段施工法逐跨施工法112逐段施工法2）悬臂施工顺序对结构受力的影响仍以图1-5所示的三跨连续梁为例，分别考虑悬臂施工中四种不同的施工顺序：a)墩顶悬臂施工段长度很小或L1=0(极限状况)，两个边跨和中跨吊装三根简支梁后连成整体，其成桥状态结构弯矩图如图1—11a)所示；b)悬臂施工段长度(L1=0.33L)这样来选择，使其合龙形成三跨连续结构时，成桥状态结构弯矩正好等于一次落架计算结果，如图1—11b)；c)墩顶对称悬臂施工段长度L1=0.8L，两个边跨先合龙，然后吊装0.4L长度的简支梁使得中跨合龙，便形成了图1-11c)所示的成桥状态结构弯矩图；d)由两个桥墩墩顶平衡对称悬臂施工直至两边桥台和中跨跨中。不难发现，尽管采用的都是同一种悬臂施工法，但是由于施工顺序的变化，使得成桥状态结构弯矩发生了很大的变化。几乎可以通过施工顺序的选择来实现成桥状态结构内力的选择。施工顺序a)施工顺序b)2LLL2LLL施工顺序c)施工顺序d)2LLL2LLL3）悬臂施工中的结构内力演变悬臂施工时，桥梁在施工阶段和成桥状态下结构的内力与施工顺序密切相关。以图所示三跨连续梁悬臂施工为例说明悬臂分段施工过程中结构内力演变过程悬臂浇筑施工过程：浇注墩顶0号块，并将0号块与桥墩临时锚固，形成刚性联接，能承受一定的非平衡弯矩；从0号块两边悬臂浇注梁段，形成静定T形刚架；边跨梁体合龙，形成超静定固端梁；拆除0号块临时锚固，梁体结构由超静定固端梁过渡到静定单悬臂梁；中跨梁体合龙，形成最终的三跨连续梁结构。三跨连续梁按上述步骤施工时，其结构内力计算可以分成下列四个主要施工阶段。L2LLq临时固结0.8L0.8L0.4L0.2L0.32qL^21）0#块浇注，临时固结，继续施工至最大悬臂状态0.8L0.8L0.4L0.2L0.09qL^20.41qL^20.32qL^20.09qL^20.8L0.8L0.4L0.2L2）边跨合龙，拆除支架0.8L0.8L0.4L0.2L3）解除临时固结0.09qL^20.02qL^20.32qL^20.8L0.8L0.4L0.2L4）中跨合龙0.8L0.8L0.4L0.2L0.2qL0.16qL^20.8L0.8L0.4L0.2L0.2qLq0.16qL^20.002ql^2中跨合龙过程中产生的弯矩0.48qL^20.002ql^2成桥后的弯矩悬臂施工中的结构变形及调整在悬臂分段施工中，不仅各个施工阶段结构内力会发生改变，而且结构变形也不断变化。仍以图示三跨连续梁悬臂施工为例说明分段施工过程中结构变形及其变形调整过程。L2LL1）悬臂施工阶段梁的变形悬臂施工时结构变形主要表现为静定T形刚架的挠曲变形，挠度主要由梁体自重、施工荷载以及预加力等因素引起。在施工过程中，必须分析每—个施工阶段的结构变形，确定出已形成结构的挠度曲线，图中的虚线表示挠度曲线的包络线，即各个施工阶段悬臂端的变形轨迹。为了在悬臂施工结束时克服这一挠度，可以采用小角度改变各梁段间相对角位置的方法，就能把这条悬臂的挠度在悬臂施工结束时调整到理想位置上。2）边跨合龙时梁的变形由于边跨梁体合龙段是以一次落架方式作用在一端固定(具有临时固结的中支点桥墩)，另一端简支(边墩或桥台)的超静定固端梁上，根据结构弯矩图可以求得边跨合龙时结构的变形。中跨侧悬臂梁段的角变形相等，边跨侧原四个悬臂梁段的角变形均可求得。为了消除这一变形，同样可以采用顺时针小角度改变各梁段间相对角位置的方法，将实际结构的变形在边跨梁体合龙后调整到理想位置上。3）拆除临时锚固时的结构变形根据拆除临时锚固时的结构弯矩图可以求得相应的结构变形。中跨侧悬臂梁段的角变形也相等；边跨侧原四个梁段的角变形均可求得。为了消除变形，同样可以采用逆时针小角度改变各梁段间相对角位置的方法，将实际结构的变形在拆除临时锚固变形后调整到理想位置上。4）中跨合龙时梁体的变形根据中跨合龙引起的结构弯矩图可以求得相应的结构变形，为了将形成三跨连续梁后的中跨梁体合龙变形调整到理想的位置上，可以采用逆时针小角度改变各梁段间相对角位置的方法。由于各梁段间相对角位置的调整只有在梁段悬臂施工阶段才能实施，一旦梁段与实际结构连成整体后，相对角位置再也无法改变，因此，在施工前必须精确计算各个施工阶段的相对角调整量，并准确计算各个施工阶段中各梁段间相对角调整量的代数和。将计算所得的相对角在梁段悬臂施工阶段一次调整到位，就一定能够在三跨连续梁形成后使结构线形达到理想位置。施工过程中桥梁的结构状态分析桥梁结构状态——结构内力状况和结构几何线形。施工顺序直接影响到桥梁的结构状态在每个施工阶段中，结构体系、施工荷载并不相同，分段施工结构状态分析通常包括两个方面：1.严格按照各个施工阶段的实际结构形式和相应施工荷载进行分析；2.按照实际结构形式和最大施工荷载来进行结构验算。前者用以确定各个施工阶段和成桥状态的理想结构状态——理想内力状态和理想几何线形，而后者用以验算各个施工阶段和成桥状态的实际结构强度、刚度和稳定性要求。结构失稳与稳定性分析重要性大跨度桥梁结构的稳定性不仅在成桥状态，而且在分段施工中各个阶段同样是非常重要的。国内外曾经有不少桥梁，由于稳定计算不当或稳定性储备不够，在施工过程中发生失稳而导致全桥塌坍。最典型的要数加拿大魁北克(Quebec)桥。1907该桥在架设过程中由于悬臂端下弦杆腹板失稳而引起严重破坏事故，震惊全世界，1916年该桥在施工过程中第二次发生失稳事故，为了铭记这一桥梁历史上惨痛的教训，加拿大土木工程师至今在左手指上还佩带着用当年桥梁废墟制成的铁戒指。1970年，澳大利亚墨尔本附近的西门(WestGate)大桥在对拼钢箱梁时，由于跨中箱梁上翼板翘曲导致112m跨径的钢梁整孔倒塌。40世纪80年代，我国四川达县某混凝土斜拉桥，由于材料指标低，安全储备严重不足，在双悬臂施工阶段突然整体失稳，全桥毁于一旦。20世纪90年代末，我国四川州河大桥也因悬臂体系的主梁在吊装过程中承受了过大的轴压力而失稳破坏。现状目前，施工过程中桥梁结构的稳定计算已经引起了人们足够的重视，随着计算能力和监测手段的不断提高，分段施工中桥梁结构稳定验算的精度和稳定性监控的准确性有了很大的提高。但是，我国现行桥梁规范中还未详细列出针对各种分段施工方法的稳定性验算内容。此外，衡量施工阶段桥梁结构稳定性的重要参数——稳定安全系也未在现行规范中作出明确规定。国外的情况下面将日本道路协会规范和美国AASHTO规范中关于分段施工中的稳定性验算内容和安全系数汇总如表所示，以供参考。强度破坏与应力验算桥梁结构的强度关系到桥梁的安全性和经济性，它与稳定问题具有同等重要的意义，特别是在分段施工过程中，要对各个施工阶段的结构内力或应力进行跟踪计算和验算，