佛山市禪西大道塱沙大橋主橋中跨合攏段軸向受力分析

姜 鋒，胡 江，曹 景

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

1 概況

佛山市禪西大道是325國(guó)道改線段的重要組成部分，路線起于羅村街邊佛山機(jī)場(chǎng)南的省道桂丹公路（規(guī)劃?rùn)M三）處，終點(diǎn)位于季華路，路線全長(zhǎng)約6.1 km。全線共設(shè)置互通立交兩座，分離式立交一座和大橋（即塱沙大橋）一座。塱沙大橋在路線樁號(hào)K1+500處上跨汾江河。

跨越汾江河主橋采用的結(jié)構(gòu)是46.75m+75m+45 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，主跨支點(diǎn)處梁高4.2 m，跨中梁高2.1 m，梁底按二次拋物線y=4f(L-X)X/L2變化，箱梁由頂板形成單向2%的橫坡，梁高均為結(jié)構(gòu)中心高度。箱梁為單箱雙室截面，箱底寬12.25m，箱頂寬19.25m，箱梁翼緣寬度每側(cè)均為3.5 m，箱梁頂板厚度一般為25 cm，中墩支點(diǎn)處取55 cm；箱梁腹板厚度取用55 cm，中墩支點(diǎn)截面除0#號(hào)塊外為80 cm，0#塊截面為90 cm，邊墩支點(diǎn)截面為80 cm；箱梁底板厚度變化范圍從25～60 cm，中墩支點(diǎn)處取90 cm；翼緣板端厚度為20 cm，中間折點(diǎn)處厚度為35 cm，根部厚度為60 cm。

主橋平立面、跨中斷面、支點(diǎn)斷面見(jiàn)圖1～圖3。

2 中跨合攏設(shè)計(jì)

2.1 中跨合攏工藝

由于是中跨合攏段，合攏段兩端的梁體都是T構(gòu)懸臂端。懸臂端的自由度比較大，在溫度、日照等因素的作用下，會(huì)發(fā)生軸向收縮、豎向撓曲、水平偏移。在混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、合攏段預(yù)應(yīng)力鋼束未張拉之前，以上種種變形會(huì)導(dǎo)致合攏段混凝土的開(kāi)裂。因此，必須采用有效的措施來(lái)保護(hù)合攏段混凝土，避免其開(kāi)裂破壞。

為了保護(hù)合攏段混凝土，設(shè)計(jì)在合攏段處采用了外剛性支撐的合攏鎖定裝置。此種裝置是在箱梁的頂、底板的頂面預(yù)埋鋼板，設(shè)置反力座，并將外剛性支撐焊接在其上，依此共同鎖定合攏口（見(jiàn)圖 4）。

安裝鎖定裝置后，由于溫度升高梁體伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的壓應(yīng)力將主要由鎖定裝置承擔(dān)，避免了合攏段混凝土承受較大的壓應(yīng)力。同時(shí)，在合攏段設(shè)置縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束，并進(jìn)行張拉，以預(yù)壓力來(lái)抵消兩端因溫度降低而縮短所產(chǎn)生的拉力（見(jiàn)圖5）。

這樣通過(guò)設(shè)置合攏鎖定裝置和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束，避免了合攏段混凝土在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求前承受較大的拉、壓力，使其得到了有效的保護(hù)。

2.2 中跨合攏段縱向受力計(jì)算

在中跨未合攏前，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，兩個(gè)中墩支點(diǎn)處的支座約束都應(yīng)為固結(jié)約束，墩身無(wú)位移。軸向受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

因梁體與合攏段連接鋼材協(xié)同變形，故可取ag=ah，

所以△Lt＝ag△t(Lg+2Lh)=ah△t L

溫度升高時(shí)梁體膨脹，而梁體兩端固結(jié)，故兩端會(huì)產(chǎn)生約束軸向力N，N使梁體產(chǎn)生得變形為：

圖1 主橋平立面（單位：cm）

圖2 跨中斷面（單位：cm）

圖3 支點(diǎn)斷面（單位：cm）

根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，△Lt＝△Ln，所以：

式中：N——梁體溫度變化時(shí)所受得軸向力；

ah,ag——分別為混凝土和鋼的線膨脹系數(shù)；

L，Lg，Lh——分別為合攏段總長(zhǎng)及懸臂段總長(zhǎng)和合攏口的鋼支撐長(zhǎng)度；

Eg，Eh——分別為鋼和混凝土的彈性模量；

Aih—— 箱梁第i段的平均面積；

Lih——箱梁第i段的分段長(zhǎng)度。

Lh共分15段，分段示意見(jiàn)圖7。

各分段參數(shù)見(jiàn)表1。

連接鋼材面積：連接鋼材采用I40工字鋼，單根面積為10 211.2 mm2，共36根，

圖4 鎖定裝置構(gòu)造圖（單位：cm）

圖5 合攏鋼束布置圖（單位：cm）

圖6 縱向受力簡(jiǎn)圖

圖7 梁體分段示意圖

表1 梁體分段參數(shù)表

故中跨合攏鎖定后，梁體溫度每變化1℃，將會(huì)產(chǎn)生555.5 t的內(nèi)力，若晝夜溫度相差10℃，取Δt＝10℃ 計(jì)算得：

如此大的內(nèi)力無(wú)論是對(duì)梁體還是連接鋼材來(lái)說(shuō)都是非常不利的，因此合攏口的鎖定必須快捷迅速完成，在鎖定前做好一切準(zhǔn)備工作，以減少鎖定時(shí)間。鎖定后立即解除一側(cè)中墩支點(diǎn)的固結(jié)約束，使梁體能夠自由伸縮。

2.3 合攏鎖定裝置及合攏段臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束受力計(jì)算

鎖定完成解除一側(cè)固結(jié)約束后，溫度變化再引起梁體伸縮，當(dāng)收縮力大于中墩的摩阻力時(shí)，梁體就能自由滑動(dòng)，收縮力就不會(huì)加大，所以梁體及合攏段所受的最大溫度內(nèi)力等于梁體與支座之間的摩阻力。中墩施工階段最大的恒載反力為42 000 kN，對(duì)于盆式橡膠支座摩擦系數(shù)取0.06，故：

合攏段所受最大降溫拉力 F＝42 000×0.06＝2 520 kN

為保證合攏段混凝土不受拉，確?；炷恋臐仓|(zhì)量，需張拉臨時(shí)鋼束以抵消這部分拉力，故：

臨時(shí)鋼束的張拉力Ny>F＝2 520 kN

底板臨時(shí)鋼束不再另外增加新的鋼束，采用2根底板束Y2（12φ15.2）鋼束，合攏時(shí)將其張拉35%的張拉控制力即為：2×12×139×1 860×0.35×0.001＝2 171.8 kN

頂板臨時(shí)鋼束采用4根3φ15.2鋼束，合攏時(shí)將其張拉制力即為70%的張拉控制應(yīng)力即為：4×3×139×1 860×0.7×0.001＝2 171.8 kN

故總的臨時(shí)鋼束力Ny＝2 171.8+2 171.8＝4 343.6 kN，考慮30%的預(yù)應(yīng)力損失，故：

Ny＝3 040.5 kN，安全系數(shù) γ=3 040.5/2 520=1.21。

當(dāng)升溫時(shí)，合攏段梁體所受的最大的伸張力也應(yīng)與梁體與支座間的摩阻力相同，故：最大張力P＝2 520 kN。

為了保護(hù)合攏段混凝土，必須設(shè)置剛性支撐裝置抵抗此力，同時(shí)臨時(shí)鋼束的張拉力也要由剛性支撐裝置抵抗，故：

剛性支撐裝置所受最大壓力N＝P+Ny＝2 520+4 343.6＝6 863.6 kN

故剛性支撐最大截面=6 863.6×1 000/(3 676.032×10 000)<140 MPa

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)中跨合攏段的分析計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）中跨合攏段的施工必須配合使用合攏段鎖定裝置及合攏段臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束。只有采用了上述措施，才能使合攏段混凝土在澆筑初期得到有效的保護(hù)。

（2）必須減少合攏段的鎖定時(shí)間，在鎖定之前應(yīng)做好合攏裝置焊接及臨時(shí)鋼束張拉的準(zhǔn)備工作。在合攏口鎖定后，為避免梁體出現(xiàn)較大的內(nèi)力，應(yīng)立即釋放一側(cè)的固結(jié)約束，使得梁的另一端在鎖定裝置的連接下能夠自由的伸縮。

（3）合攏段的施工應(yīng)選在風(fēng)力很小且溫度變化幅度較小的深夜進(jìn)行。第一，夜間溫度變化幅度較小，對(duì)合攏段受力更加有利；第二，由于夜間溫度相對(duì)較低，合攏段混凝土澆筑完成后，溫度將會(huì)逐漸升高，合攏段混凝土將逐漸承受壓力，這對(duì)于合攏段的混凝土的受力較為有利；第三，由于夜間沒(méi)有日照，且風(fēng)力較小，避免了合攏段混凝土在澆筑初期發(fā)生豎向撓曲及橫向水平變形。

（4）若合攏段混凝土在夜間進(jìn)行澆筑，則合攏段的臨時(shí)鋼束應(yīng)在合攏段混凝土澆筑的第二天溫度回落前進(jìn)行張拉。此時(shí)溫度開(kāi)始降低，梁體開(kāi)始收縮，此時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉，預(yù)應(yīng)力的利用效率最高。

（5）合攏段的混凝土宜比梁體提高一個(gè)等級(jí)，并要求采用早強(qiáng)微膨混凝土。