预应力混凝土桥梁施工控制结构分析计算方法

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土桥梁施工控制结构分析计算方法
余志武。谈遂
(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)
摘要：结合某预应力混凝土桥梁施工预拱度的求解问题，阐述了分阶段施工法中立模标高的计算原理及正装计算与倒装
计算二者之间的关系，分析了与施．Y-控制预拱度相关的影响因素，并根据预应力混凝土桥梁分阶段施工时的施工过程及特
点，综舍考虑施工过程中各种因素(包括新梁段的浇筑、预应力筋的张拉、混凝土的收缩徐变等)的影响，建立计算模型，
运用有限元软件Midas和桥梁博士，采用正装和倒装分析方法计算出各施工阶段的挠度，进而得出各悬浇段的预拱度，为施
工控制提供依据。
关键词：预应力混凝土桥梁；施工控制；正装计算法；倒装计算法；挠度；结构计算理论
中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1672—7029(2006)06一OOO7一o7
Analysis and computation method of structure for the
construction control of prestressed concrete bridge
YU Zhi．wu．TAN Sui
(School Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha 410075。China)
Abstract：The principle and method of model of bridge constructed in stages were studied，based on the relation of
analysis advance and back through solving the pre—camber of the prestressed concrete bridge in the construction．Th e
influencing factors related to the pre —camber of all the controlled points were also analyzed al studied ．Th e calcula—
tional model was established according to the characteristics of prestressed concrete bridge constructed in stages．Many
influencing factors such as the establishment of new elements，the stressing of reinforcement，the shrinkage and creep
of concrete were taken into account．and the deformation of each construction phase was calculated with the finite ele—
ment program Midas and bridge doctor in advance and back analysis method ．Th e pre —camber that is the basis of constmction
control of each cantilever construction segment is gotten．
Key words：prestressed concrete bridge；control of construction；advance analysis method ；back analysis method；de—
formation；calculation theory of structure
1953年分阶段悬臂浇注法成功问世以来，就
广泛应用于预应力混凝土连续梁桥、“1’'’型刚构、
连续刚构桥。该方法用于施工期间不影响桥下通
航或行车，而且充分利用了预应力混凝土承受负弯
矩能力强的特点，提高了桥梁的跨越能力。对于悬
臂施工的连续梁桥，其间将经过逐节段立模浇筑混
凝土节段，分批张拉预应力钢束，转换结构受力体
系及逐跨合拢，其后一节段是通过预应力筋与前一
节段相接而成，因此，每一施工阶段都是密切相关
的⋯。分析各施工阶段及成桥结构的变形和受力
特性就变得必不可少。为了保证桥梁成桥线型及
受力状态符合设计要求，确定各施工阶段的线形是
桥梁悬臂施工中最重要的任务之一，而决定上部结
构每一待浇节段的预拱度尤其重要 2。因此，必须
通过合理的计算方法和理论分析来确定每个节段
合理的预拱度。本文针对一座实际的预应力混凝
收稿13期：2006—08—28
作者简介：余志武(1955一)。男，湖南临湘人，教授，博士生导师，从事桥梁工程、结构工程和防灾工程研究
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8 铁道科学与工程学报 2OO6年12月
土桥梁，建立Midas和桥梁博士2种计算模型，分
别采用正装和倒装计算方法进行挠度分析，比较2
种结构分析方法的关系，确定每个节段的预拱度，
用以指导施工。
1 施工过程模拟分析方法
1．1 正装计算法
为了计算出桥梁结构成桥后的受力状态，只有
根据实际结构配筋情况和施工方案设计逐步逐阶
段进行计算，最终才能得到成桥结构的受力状态，
这种计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结
构型式、边界约束、荷载形式在不断地改变，前期结
构将发生变化，其几何位置也在改变，因而，前一阶
段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础【3l。
同时，在正装计算中能较好地考虑一些与桥梁结构
形成历程有关的因素，如结构的非线性问题和混凝
土的收缩徐变问题L4J。
1．2 倒装计算法
正装计算法可以严格按照所设计的施工步骤
进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标
的迁移，最终结构线形不可能完全满足设计线
形_5】。实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控
制同样重要，线形误差将导致桥梁结构的合龙困
难。为了使竣工后的结构保持设计线形，在施工过
程中用设置预拱度的方法来实现。众所周知，一座
大跨度桥梁的设计图，只给出了桥梁结构最终成桥
状态的设计线形和设计标高，但是桥梁结构施工中
间各状态的标高并没有明确给出，要想得到桥梁结
构施工初始状态和施工各阶段的理想状态，就要从
设计图中给出的最终成桥状态开始，逐步地倒拆计
算来得到施工各阶段中间的理想状态和初始状态。
倒装计算法是按照桥梁结构实际加载顺序的逆过
程来进行结构行为分析，获得桥梁结构在各施工阶
段理想的安装位置和理想的受力状态。但是倒装
计算法存在一定的局限性，主要体现在以下3个方
面：
1)由于倒装计算的顺序是结构形成历程的逆
过程，且考虑到混凝土构件的收缩、徐变与结构的
形成历程有密切关系，所以在倒装分析时，考虑结
构的时差效应的影响有一定困难【。
2)对于几何非线性十分明显的大跨度桥梁，
一次倒装计算的结论并不是理想的初始状态。由
于结构非线性的影响，要确定结构的理想状态，就
必须完成倒装计算和正装计算的交替迭代过程。
3)初始应力的确定问题。在没有成桥竣工应
力资料的情况下，在进行倒装计算时，初始状态必
须由正装计算来确定，但初始状态中的各杆件的轴
线位置可取设计轴线位置。
2 挠度影响因素和立模标高的确定
桥梁悬臂施工中，最困难的任务之一就是施工
挠度的计算与控制 ]。在施工过程中，挠度计算不
仅与结构计算分析模型有关，而且与许多其它因素
有关，这些因素主要包括：施工阶段的一期恒载：节
段自身重量和预加应力；施工临时荷载：挂篮和模
板机具设备重量；温度变化、风荷载；混凝土材料的
收缩徐变；桥墩变位、基础沉降；施工工艺和施工工
期的不确定性；当体系转换后，还有二期恒载、次内
力和汽车静活载的影响。确定立模标高要考虑上
述实际因素的影响，其计算公式如下：
H ：H + f、i+ 二 i+f3t+f4t+
+厶+丢。 (1)
式中：‰ 为第i节段立模标高(节段上某确定位
置)；为第i节段设计标高；Σ i为各节段自重
在第i节段产生的挠度总和；Σ i为张拉各节段
预应力在第i节段产生的挠度总和；． l为混凝土收
缩、徐变在第i节段产生的挠度总和；．厂4f为施工临
时荷载在第i节段产生的挠度总和；．为挂篮变形
值；厶为二期恒载产生的挠度值；为静活载作用
下产生的挠度值。
其中，挂篮变形值包括弹性变形和非弹性变
形，可通过现场挂篮加载试验确定。而 f，
Σ ，Σ 和Σ 在正装计算和倒装计算中
已经加以考虑，倒装计算输出结果中的预拱度就是
这4项挠度的总和。
3 算例及讨论
3．1 预应力混凝土连续梁桥有限元模型的建立
采用悬臂浇注施工法的某预应力混凝土连续
梁桥是一座大型公路桥梁。由主路桥和辅路桥组
成，其中2座主路桥宽度19．5 m，中央分隔带宽度
5 m；两座辅路桥宽度l1．75 ITl，主辅分隔带宽度
5 m，跨度组成为55 m+80 m+55 m。箱梁0号块和
1号块采用托架现浇，2 1l号块悬臂浇注，最大悬
臂工况为ll号块施工时。上部构造均为变截面单
箱单室，垂直腹板。主路桥单箱顶宽19．3 m，底宽
10．5 m，翼缘板长4．4 m，支点处梁高4．5 m，跨中梁