矮墩連續(xù)剛構橋合龍頂推力研究

張茂龍,楊成斌

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,合肥 230009)

矮墩連續(xù)剛構橋合龍頂推力研究

張茂龍,楊成斌

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,合肥 230009)

連續(xù)剛構橋中跨合龍時需要通過施加頂推力對結構的內(nèi)力狀態(tài)進行預調(diào)整.結合工程實例,討論了柔性基礎矮墩連續(xù)剛構橋合龍頂推力的確定方法,分析了頂推前后結構的內(nèi)力與變形規(guī)律,得出施加頂推力來主動調(diào)整內(nèi)力可有效地改善橋梁結構的受力和使用狀態(tài),提高橋梁的耐久性.

矮墩;連續(xù)剛構橋;柔性基礎;合龍;頂推

預應力連續(xù)剛構橋多利用高墩的柔度來適應結構由預應力、混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的縱向位移,即把高墩視作一種擺動的支承體系[1].連續(xù)剛構墩梁固結,若下部結構的整體剛度較大,溫度變化、混凝土收縮徐變等因素引起的次內(nèi)力就會相當大.同時,后期的收縮、徐變也會使梁體產(chǎn)生豎向撓度和水平位移,造成主墩的偏位,影響橋梁的美觀和行車舒適性,同時也對主墩的受力產(chǎn)生不利影響.因此,在合龍前應盡可能對結構進行主動調(diào)整,以使結構的受力和使用狀態(tài)更趨于合理.

自重及二期恒載、混凝土收縮徐變、預應力鋼束張拉等產(chǎn)生的水平力是單向的,存在主動調(diào)整的可能性[1],根據(jù)這種情況,考慮在主跨合龍前對結構實施一定噸位的預頂力,以克服或部分克服恒載產(chǎn)生的水平力,從而減小使用階段墩身、基礎承擔的水平力及其水平變位,同時,在不過多增加工程造價的前提下,使基礎的設計更趨合理.

1 預頂力大小的選擇

預頂噸位選取是否合適將直接關系到主動調(diào)整的效果,過小會導致主動調(diào)整的效果不明顯,過大又會使懸臂端部的梁體豎向變形和墩根部彎矩過大,對墩身受力帶來不利影響.

1.1 抗推剛度公式

抗推剛度簡單點說就是產(chǎn)生單位水平位移時所引起的作用力.要計算施加的頂推力大小需要知道下部結構的抗推剛度和墩頂發(fā)生的水平位移.

①對于低樁承臺基礎,其墩身以下部分的抗推剛度很大,墩身剛度便需要足夠小,在計算此類剛構橋主墩的抗推剛度時,可近似將主墩按下端固結,上端自由的懸臂柱(如圖1所示)進行處理.[2]

則單肢矩形空心薄壁墩(見圖2),抗推剛度為:

②而對于髙樁承臺群樁基礎,群樁的柔性通常較大,此時墩身以下部分的柔度對下部結構的抗推剛度影響不可忽略.即使墩身的抗推剛度很大(矮墩),下部結構的整體抗體剛度也未必會很大[3],這就是為什么許多連續(xù)剛構橋仍然能夠采用大剛度矮墩.對于這種情況,需充分考慮樁基的影響,以下部結構的整體抗體剛度為準,切不可忽略了樁基的柔度.

如圖3,主墩和樁基分別具有不同的抗推剛度,兩者通過承臺剛接,下面介紹其整體抗推剛度的近似推導過程.

承臺剛度無窮大,因此將承臺簡化為剛節(jié)點2,點3是沖刷線以下的水平位移零點:

圖中k1、k2為主墩與樁基的抗推剛度,墩高l1,樁長l2,水平力p作用于墩頂點1(圖3a).現(xiàn)將P平移到樁頂點2(如圖3(b)所示),圖3(c)表示點1、點2在水平荷載P的作用下發(fā)生的水平位移(鑒于承臺剛度極大,θ值很小,樁基轉動對墩頂水平位移的影響很小,因此不考慮彎矩的影響[4]),點2的水平位移為 Δ2=,從而得點 1的水平位移 Δ1=則下部結構的整體抗推剛度:

式(2)表明:具有柔性髙樁承臺基礎的連續(xù)剛構橋,下部結構的整體抗推剛度受樁基的剛度影響較大.

1.2 工程實例

廣東某特大橋主橋墩高僅18 m,是典型的矮墩預應力混凝土連續(xù)剛構橋.主墩為單肢柔性薄壁墩(C40),矩形空心截面(見圖4).典型南方粘土地基,柔性高樁承臺嵌巖群樁基礎(C30),樁基總長45 m,自由樁長16 m,樁基平面布置如圖5所示.合攏順序為先邊跨后中跨.

先計算薄壁墩在正常合龍情況下由合龍溫差、混凝土收縮徐變(10年)等引起的水平變位,然后通過其水平位移來確定水平頂推力,本橋采用有限元軟件建模計算水平位移.

1.2.1 Midas有限元模型

采用有限元分析軟件Midas/civil建模(圖6)[5]分析.施工過程分為63個階段,采用平面梁單元將主梁分為140個單元、141個節(jié)點,主墩跟樁基共分為90個單元.墩臺剛結,樁底固結,兩邊跨端部僅設豎向支承.主墩編號從左至右依次為12#、13#、14#.

圖 6 Midas模型

1.2.2 墩頂位移

為了確定兩邊墩(12#、14#)由于結構體系轉換、合龍溫差以及收縮徐變引起的水平變位,按照施工工序建立有限元模型,收縮、徐變終止時間設定為3600 d(約10年)根據(jù)合龍時的氣溫情況,為避免合龍溫差的影響,結合工程實際,合龍溫度取為設計合龍溫度(20℃),計算出合龍時不施加頂推力的情況下:12#墩箱梁截面形心位移Δ1x=43.42 mm;14#墩箱梁截面形心位移 Δ2x=-43.36 mm.(位移以12#到14#方向為正,下同)

1.2.3 頂推力大小確定

中跨合龍前200噸縱向水平推力的施加會使兩墩墩頂產(chǎn)生初偏位,經(jīng)計算,在施加頂推力的情況下,10年后的12#墩、14#墩水平偏位分別為3.3 mm和-3.0 mm,即兩墩基本處于豎直狀態(tài),由此得出,采用200 t的頂推力是合理的,同時也說明上述橋梁下部結構整體抗推剛度的近似求解過程也是成立的.

未頂推、頂推100 t、頂推200 t三種情況下,10年后的墩頂順橋向水平位移結果如下表1所示:

表1 墩身水平位移對比表單位:mm

2 結果分析

2.1 截面撓度比較

表2 點撓度對比表單位:mm

10年混凝土收縮徐變后,施加頂推力比不頂推情況下,墩頂水平位移減小了40 mm.施加頂推力后,邊跨跨中豎向位移增加21 mm,中跨跨中豎向位移56 mm,而一般連續(xù)剛構橋更加關注的是跨中下?lián)系膯栴}[6],因此頂推的效果是滿足要求的.

綜上所述,頂推力的施加減小了主墩偏位,改善了橋梁的使用狀態(tài),使墩身受力更趨合理,同時,跨中下?lián)系膯栴}也得到了改善.

2.2 結構附加次內(nèi)力比較

采用頂推進行內(nèi)力調(diào)整的目的就是為了盡量消除各種因素對結構產(chǎn)生的附加次內(nèi)力和主墩水平位移.現(xiàn)將施加頂推力前后結構的次內(nèi)力作一比較[7].

表3 結構控制截面附加次內(nèi)力比較

施加頂推力以后,削弱了主梁截面附加次內(nèi)力,優(yōu)化了結構的受力狀態(tài),達到了頂推的預期效果.

頂推力的施加過程中,應注意大噸位頂推力對墩底截面的受力影響,避免墩身開裂:主墩澆注前,監(jiān)控單位已分別在墩身頂、底部截面埋設了應變計,可以監(jiān)測頂推過程中墩身的應力變化情況.

3 結束語

本文具體討論了柔性墩臺群樁基礎矮墩連續(xù)剛構橋合龍時頂推力的確定方法、計算流頂以及實際頂推效果,得出以下幾點結論:

(1)大跨連續(xù)剛構橋中跨合龍時通過施加頂推力改善了結構的受力和幾何狀態(tài),提高了結構耐久性;

(2)對于具有高樁承臺柔性基礎的矮墩連續(xù)剛構橋,需注意樁基柔度對下部結構整體抗推剛度的影響;

(3)文中提出的柔性基礎矮墩剛構橋合龍頂推力的近似求解方法經(jīng)驗證具有一定的參考價值,可供簡算復核使用,頂推力的具體數(shù)值可通過有限元程序計算確定.

[1]宋玉普.預應力混凝土橋梁結構[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2]徐君蘭.顧安邦.連續(xù)剛構橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[3]胡自忠,祝立君,黃小國.馬目大橋高樁承臺群樁基礎受力分析與設計[J].山西建筑,2009,35(17):307-308.

[4]凌治平,易經(jīng)武.基礎工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

[5]Edward L.Wilson,Three-dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures[M].Computers and Structures,inc.California,USA,2002.

[6]向中富.橋梁施工控制技術[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]鄒毅松,單榮相.連續(xù)剛構橋合龍頂推力的確定[J].重慶交通學院學報,2006,25(2):12-15.

Research on Closure Jacking Force of Low Pier Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Mao-long,YANG Cheng-bin

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

T he internal force of a continuous rigid frame bridge must be adjusted by jacking when its midspan is in closure.The method of the closure jacking force of a low pier continuous rigid frame bridge with flexible foundation is discussed.By analyzing the principle of a specific project internal force and displacement after jacking,it is testified that jacking can improve not only the bridge state of working and bearing but also its durability.

low pier;continuous rigid frame bridge;flexible foundation;closure;jacking

TU997

A

1671-119X(2011)02-0092-03

2010-10-30

張茂龍(1985-),男,碩士,研究方向:城市道路與橋梁.