對連續(xù)剛構(gòu)體系和剛構(gòu)的探討——連續(xù)梁組合體系基于合龍頂推改善墩底受力的對比

嚴(yán)宇濛 張 浩 江雄飛

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

隨著現(xiàn)代橋梁跨度的越來越大，剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系的橋梁的廣泛應(yīng)用，合龍前在懸臂端進(jìn)行適當(dāng)?shù)捻斖疲歉纳崎L期作用效應(yīng)和溫差效應(yīng)的一種較為理想的施工措施。由于連續(xù)剛構(gòu)橋在溫度變化下影響主梁變形。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對均勻溫度作用有明確的規(guī)定，過大的溫差會(huì)顯著增大主梁和橋墩的附加內(nèi)力，尤其是橋墩底部，附加內(nèi)力更大。對于有些四跨、三個(gè)主墩的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系的橋型來說，由于中間主墩的連續(xù)梁一側(cè)的跨中不需要在合龍前頂推，而只需在連續(xù)剛構(gòu)一側(cè)進(jìn)行頂推，而中間主墩本身由于收縮徐變和實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不一致而導(dǎo)致的頓頂位移比較小，而再對連續(xù)剛構(gòu)一側(cè)的頂推后會(huì)導(dǎo)致中間墩的位移不合理，從而影響中間墩墩底的受力。本文以萬源市仙龍?zhí)洞髽驗(yàn)槔?，對剛?gòu)-連續(xù)梁組合體系和連續(xù)剛構(gòu)體系基于頂推改善墩底受力進(jìn)行比較，對于四跨、三個(gè)主墩的橋型的選擇進(jìn)行討論。

1 工程概況

仙龍?zhí)洞髽蛟谠O(shè)計(jì)初期共擬三個(gè)方案，對大橋的跨徑做了不同的設(shè)計(jì)，在考慮到對鐵路的影響和工程造價(jià)后，最終采用了左線3×30+60+110+110+60+5×40+5×30+4×30 米，右線 3×30+60+110+110+60+5×40+5×30+3×30米的跨徑組合，主橋均采用60+110+110+60米的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系。本橋平面位于半徑 R＝1020m，Ls＝130m、R＝1800m，Ls＝200m 和Ls=140m的反向S型平曲線上，橋梁跨徑按路線設(shè)計(jì)線布置，橋墩臺徑向布設(shè)。

主橋箱梁采用單箱單室斷面，箱梁頂寬12.25m，底寬6.5m，箱梁根部梁高6.5m，跨中及邊跨合攏段梁高為2.8m，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。箱梁底板厚度0#塊為120cm，其余各梁段底板厚從墩頂根部至懸澆段結(jié)束處由80～30cm，其間按1.8次拋物線變化，跨中合攏段及邊跨現(xiàn)澆段為30cm；箱梁頂板厚度0#塊為50cm，其余梁段為28cm。箱梁懸臂長度為2.875m，翼緣外側(cè)厚18cm，根部為65cm，采用直線變化。邊跨現(xiàn)澆段外設(shè)置寬度為2.0m的端橫梁。箱梁橫橋向底板保持水平，頂板橫坡由腹板高度的變化形成。主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系：縱向預(yù)應(yīng)力分為頂板束、腹板束、邊跨底板束、中跨底板束、邊、中跨合攏鋼束四種，分別采用性能符合 GB/T5224-2003 規(guī) 定 的 17φs15.2mm、19φs15.2mm、17φs15.2mm、18φs15.2mm、17φs15.2mm270級低松弛鋼絞線,其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1860MPa，鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為1395Mpa。橫橋向預(yù)應(yīng)力采用性能符合 GB/T5224-2003規(guī)定的 3φs15.2mm低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa，張拉錨下控制應(yīng)力為1395Mpa；為提高扁束施工質(zhì)量，要求采用整體張拉工藝。豎向預(yù)應(yīng)力及各0#塊預(yù)應(yīng)力采用JL32的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（材料屈服點(diǎn)σ0.2）為785MPa，張拉控制應(yīng)力為706.5Mpa，其張拉控制力為56.8T。

圖1 仙龍?zhí)洞髽蛑鳂蚴疽鈭D

該橋合攏段混凝土澆注選擇載夜間溫度變化值較小(溫度控制在16～18℃左右)時(shí)進(jìn)行，但實(shí)際工期中，兩幅合龍時(shí)間分別處于9月底和10月底。溫度大概在22~25℃左右。

2 有限元模型的建立和計(jì)算

2.1 模型的建立

對墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)體系或者是有墩梁固結(jié)的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系，特別是變截面箱梁，由合龍溫差和砼的收縮徐變等因素引起結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布和結(jié)構(gòu)變位的非線性，因此依靠手算很難得到精確解。本文采用專業(yè)橋梁計(jì)算軟件midas，按照施工順序建立有限元計(jì)算模型。

圖2 midas分析的計(jì)算模型圖

2.2 不同體系下墩頂水平位移的確定

為了對比該橋連續(xù)剛構(gòu)和剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系在合龍前的頂推力，分別對兩種體系分別確定3個(gè)主墩在正常合龍情況下由結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、合龍溫差以及收縮徐變引起的相對變位按照施工工序建立有限元模型，收縮徐變終止時(shí)間設(shè)定為 3000d（約10年）根據(jù)合龍時(shí)的氣溫情況，設(shè)定合龍溫度和設(shè)計(jì)合龍溫度差值為 3℃.。計(jì)算出該橋在連續(xù)剛構(gòu)體系下合龍時(shí)不施加頂推力的情況下梁墩墩頂在上述因素影響下的位移.。4#墩箱梁墩頂截面(18#截面)形心位移為△AX=4.1cm，5#墩箱梁墩頂截面（49#截面）形心位移為△BX=1.6cm，6#墩箱梁墩頂截面（80#截面）形心位移為△CX=-1.3cm（以安康到達(dá)州方向?yàn)檎?。?jì)算出該橋在剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下合龍時(shí)不施加頂推力的情況下梁墩墩頂在上述因素影響下的位移.。4#墩箱梁墩頂截面形心位移為△DX=4.3cm，5#墩箱梁墩頂截面形心位移為△EX=1.0cm，6#墩箱梁墩頂截面形心位移為△FX=-2.3cm（以安康到達(dá)州方向?yàn)檎?/p>

2.3 不同體系下頂推力的確定

下面將確定在不同體系下的頂推力，在有限元計(jì)算中，需在最大懸臂工況下(即中跨合龍前)對懸臂端施加縱向的水平推力 ，來消除結(jié)構(gòu)中各墩頂產(chǎn)生的水平偏位。

在連續(xù)剛構(gòu)體系下在各頂推位置分別施加 0kN，100kN，200kN，300kN 的頂推力，各主墩頓頂處的水平位移如下表1。

表1 不同頂推力作用下主墩墩頂截面水平位移 mm

在剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下先合龍連續(xù)梁一側(cè)，只需頂推4,5#墩之間中跨。在各頂推位置分別施加 0kN，100kN，200kN，300kN的頂推力，各主墩頓頂處的水平位移如下表2。

表2 不同頂推力作用下主墩墩頂截面水平位移 mm

理想的頂推力是消除2.2中所述的水平位移，使其位移量為零，而實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的，也是不必要的。難以實(shí)現(xiàn)的原因在于合龍后結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，不必要的原因是若將上述水平位移量完全頂推到位，勢必造成成橋階段反向水平位移過大，這對橋梁受力是不利的。因此，頂推后的各節(jié)點(diǎn)位移一般取頂推前各節(jié)點(diǎn)位移的30%左右，具體的百分比要根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)而定。仙龍?zhí)短卮髽蝽斖坪蟾鞴?jié)點(diǎn)位移取頂推前各節(jié)點(diǎn)水平位移的15%。

在連續(xù)剛構(gòu)體系下，由表1可知，18節(jié)點(diǎn)在單位水平頂推力(1kN)的作用下的水平偏位是0．0136mm，80節(jié)點(diǎn)在單位水平頂推力(1kN)的作用下的水平偏位是0.0036mm，而49號節(jié)點(diǎn)的位移由于同時(shí)施加頂推力的作用，水平偏位基本不變。在剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下，由表2可知，18節(jié)點(diǎn)在單位水平頂推力(1kN)的作用下的水平偏位是0．0136mm，49節(jié)點(diǎn)在單位水平頂推力(1kN)的作用下的水平偏位是0.0037mm，在頂推力的作用下，各節(jié)點(diǎn)的水平位移量可按式(1)計(jì)算：

式中：δx為各節(jié)點(diǎn)頂推后的水平位移為單位頂推力作用下各節(jié)點(diǎn)水平位移；PX為頂推力；δx不頂推為未施加頂推力時(shí)各節(jié)點(diǎn)的水平位移。通過上文確定的墩頂位移及表1和，可計(jì)算出連續(xù)剛構(gòu)體系下的頂推力：

中跨合龍前對兩懸臂端頂推時(shí)，由于長期收縮徐變及合龍溫差等因素使得中間墩即5#墩墩頂?shù)奈灰坪苄?，所以在頂推時(shí)可以保證5#墩墩頂?shù)乃轿灰葡鄬Ψ€(wěn)定，即兩個(gè)中跨合龍段的頂推力應(yīng)保持相等，因此頂推力P1=P2=2561kN

通過上文確定的墩頂位移及表2，可計(jì)算出剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下的頂推力：

在剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下，由于先合龍了連續(xù)梁一側(cè)，而只需確定4,5#墩之間中跨的頂推力P1=2687kN

3 合龍段頂推施工的實(shí)現(xiàn)

仙龍?zhí)洞髽蛟趯?shí)際中為剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系，合龍順序上應(yīng)先合龍連續(xù)梁一側(cè)，既5,6#墩之間的中跨，合龍頂推只需頂推4,5#墩之間中跨，連續(xù)梁向的中跨無需頂推。根據(jù)中跨合龍段計(jì)算分析，由于左幅中跨合龍段施工期處于秋季，氣溫與合龍溫度要求溫度基本一致，按合龍平均溫度20℃計(jì)算，比設(shè)計(jì)合龍溫度要高3℃左右，這導(dǎo)致兩主墩向中跨相對變位-0.4cm，再根據(jù)有限元計(jì)算，收縮徐變引起的位移為5.7cm。因此，建議中跨合龍段頂推時(shí)，相對位移控制在4.5cm，中跨合龍段的頂推力控制在2700KN左右。右幅中跨合龍段施工期處于秋季，氣溫較低，按合龍平均溫度16℃計(jì)算，比設(shè)計(jì)合龍溫度基本一致，因此，建議中跨合龍段頂推時(shí)，相對位移控制在4.8cm，中跨合龍段的頂推力控制在2900KN左右。在頂推過程中需要注意的是：由于5#墩墩高為70m，4#墩墩高為46m，即使5,6#墩之間中跨已合龍，在頂推過程中，5#墩還是較4#墩好推動(dòng)，因此，中跨合龍頂推過程，應(yīng)進(jìn)行位移和頂推力雙控，以控制墩頂水平位移為主，應(yīng)適時(shí)觀測頂推時(shí)兩邊的位移。頂推原則為：以位移作控制，以噸位作校核。頂推過程中必須按照同步、逐級加載的原則，加載噸位以每臺千斤頂計(jì)，依次為500kN、1000kN、1250kN、1500kN。加載時(shí)，測量4,5#墩墩頂和中邊跨懸臂端部梁體位移和高程變化，同時(shí)量測千斤頂活塞行程，以便與位移觀測值相校核。在頂推的同時(shí)，注意觀察墩梁結(jié)合部，防止出現(xiàn)異常情況。當(dāng)兩臺千斤頂均加載至1500kN時(shí)，兩墩墩頂相對位移已經(jīng)達(dá)到有限元計(jì)算控制位移值，經(jīng)施工，設(shè)計(jì)和監(jiān)控三方人員確認(rèn)后，停止加載，頂推完成。

4 結(jié)果分析

4.1 不同結(jié)構(gòu)體系下的頂推位移值結(jié)果分析

在實(shí)際施工中，若是剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系合龍頂推只需頂推4,5#墩之間中跨，而連續(xù)剛構(gòu)體系則對4,5#墩之間和5,6#墩之間同時(shí)進(jìn)行頂推。兩種體系下的3個(gè)主墩在正常合龍情況下由結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、合龍溫差以及收縮徐變引起的相對位移和前面所確定的控制位移以及相應(yīng)的頂推力如下表3和表4。

表3 剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系

表4 連續(xù)剛構(gòu)體系

4.2 不同結(jié)構(gòu)體系下的結(jié)構(gòu)附加次內(nèi)力比較

進(jìn)行合龍頂推的目的就是為了消除由于合龍溫差和砼后期收縮徐變等因素對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加次內(nèi)力和主墩水平位移，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力狀況?，F(xiàn)將兩種體系下不施加頂推力時(shí)結(jié)構(gòu)的附加次內(nèi)力和施加頂推力后剩余結(jié)構(gòu)次內(nèi)力作一比較，見表5和表6。

表5 剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系

表6 連續(xù)剛構(gòu)體系

結(jié)語

大跨徑砼連續(xù)剛構(gòu)橋在中跨合龍時(shí)施加頂推力使橋墩產(chǎn)生一個(gè)預(yù)偏位來抵抗結(jié)構(gòu)長期的收縮徐變、合龍溫差等因素對橋墩的偏位影響，在實(shí)際工程實(shí)踐中逐漸推廣應(yīng)用。而對于剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系，由于只需在剛構(gòu)一側(cè)進(jìn)行頂推，而無需在連續(xù)梁一側(cè)頂推，則連續(xù)剛構(gòu)一側(cè)主墩的受力和墩頂位移會(huì)得不到很好的改善，與連續(xù)剛構(gòu)體系的對比，總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）在有三個(gè)主墩的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系下，由于不頂推連續(xù)梁一側(cè)，而只需頂推連續(xù)剛構(gòu)一側(cè)，而中間的主墩無法改善其受力，因此需要優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)一側(cè)的頂推力。

（2）由表5、表6可知，通過合龍時(shí)施加適當(dāng)?shù)捻斖屏p小了砼連續(xù)剛構(gòu)橋由合龍溫差、砼后期收縮徐變等產(chǎn)生的附加次內(nèi)力，平衡了主墩水平偏位，對橋梁結(jié)構(gòu)后期受力有利，增加了結(jié)構(gòu)安全度。

（3）對于有三個(gè)主墩的連續(xù)剛構(gòu)體系比相同情況下的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系在頂推合龍改善主墩的受力上更具有合理性，尤其是對改善中間墩的受力更具有合理性。

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