Y型剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋合龍階段受力分析及頂推力的應(yīng)用

摘 要：Y型剛構(gòu)連續(xù)組合梁橋是剛構(gòu)-連續(xù)橋的一種，該類橋在施工中主要采用懸臂澆注法施工，本文以具體工程為例探討了該類型橋在施工過程中合龍順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)受力的影響，并探討了頂推力在合龍施工中的具體應(yīng)用，供技術(shù)人員在工程中借鑒。

關(guān)鍵詞：Y型剛構(gòu)-連續(xù)組合梁；合龍順序；受力分析； 頂推力研究

中圖分類號：U448.232 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-0002-03

近年來，國內(nèi)外在自架設(shè)體系T型剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)上，相繼修建了許多預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，這兩種橋具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)受力合理、車輛行駛平順、施工方便和養(yǎng)護(hù)費用低等優(yōu)點，已成為大跨度橋梁建設(shè)中不可缺少的橋型。這種橋一般采用的施工方法是：先在其各主墩上按“T構(gòu)”用掛籃分段對稱懸臂澆筑，然后在落地澆注段上現(xiàn)澆邊跨段，最后在吊架上完成現(xiàn)澆跨中合龍段，整個橋段橋按對稱懸臂澆筑→邊跨合龍→中跨合龍順序進(jìn)行施工。合龍段的施工順序是影響該類梁橋施工的重要環(huán)節(jié)，合龍段壓重、合龍溫度、預(yù)拱度、邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段和跨中下?lián)峡刂贫加绊懼擃悩蛄旱氖┕べ|(zhì)量。下面就以鷺鷥?yōu)炒髽驗槔龑型剛構(gòu)-連續(xù)箱梁橋的合龍技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程背景

鷺鷥?yōu)炒髽蚴菑埣医缥飨河蓝ù蟮郎系囊蛔鶚蛄?，位于張家界市城東澧水干流之上，是東接張家界市城區(qū)永定大道及常張高速公路、西接張家界城市中心的重要通道。既有鷺鷥?yōu)炒髽蛞堰\(yùn)營約10a，橋面破損嚴(yán)重，存在較多病害，所以經(jīng)多方案比選后決定對原大橋進(jìn)行拆除重建。 重建橋梁起點里程為K6+099.92，終點里程為K6+525.08，橋梁寬33m，全橋長425.16m，橋梁位于直線上。橋梁采用（38+61+71+81+71+61+38）m預(yù)應(yīng)力混凝土Y型剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁，橋?qū)挷捎?3m，分左右兩幅設(shè)置，最大縱坡采用4.64%。

根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋梁設(shè)計施工技術(shù)指南》的有關(guān)規(guī)定，連續(xù)剛構(gòu)橋的邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段和中跨合龍段是合龍段澆注的3個關(guān)鍵施工工序，應(yīng)按照以下原則進(jìn)行：3個工序的全過程均應(yīng)在結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定變形條件下進(jìn)行；同時3個工序的全過程均應(yīng)在結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)下進(jìn)行。這樣做的目的是為了保證結(jié)構(gòu)在施工階段避免受到不平衡荷載的不利影響。因此，該橋在合龍方案選擇時考慮了合龍順序?qū)蛄旱挠绊?，針對不同合龍順序進(jìn)行了比選分析。

2 合龍順序?qū)?nèi)力變形影響分析

結(jié)合本橋的實際情況，對合龍的順序采用先邊跨后中跨及先中跨后邊跨兩種不同的合龍方式進(jìn)行模擬分析，對兩種合龍方式下的內(nèi)力及變形情況進(jìn)行比較，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，文中只給出一半單元的計算結(jié)果。

2.1 先邊跨后中跨結(jié)構(gòu)受力情況（見圖1～4）

2.2 先中跨后邊跨結(jié)構(gòu)受力情況（見圖5～8）

2.3 優(yōu)化比選結(jié)果

上述計算結(jié)果表明：兩種合龍方式對于Y構(gòu)區(qū)域的最大負(fù)彎矩的影響很小，對于邊跨、次邊跨、次中跨的彎矩值先邊后中的方式比先中后邊小15%左右，剪力則相差很小。

上下緣的應(yīng)力計算表明：采用先邊后中的方式比先中后邊壓應(yīng)力小0.3MPa，說明先中后邊的方式對于箱梁的應(yīng)力儲備較為有力。

采用先邊跨后中跨的主要目的是減小結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力和容易控制合龍過程中的變形。合龍段施工之前，每個T構(gòu)的懸臂箱梁是靜定結(jié)構(gòu)，只因溫度產(chǎn)生變形，不產(chǎn)生應(yīng)力。先中跨后邊跨形成Ⅱ型結(jié)構(gòu)，中跨各個梁段的混凝土?xí)驕囟茸饔卯a(chǎn)生應(yīng)力，此時除中跨合龍段外，其余各梁段混凝土均已達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，且施加了預(yù)應(yīng)力，因而能承受溫度應(yīng)力。而合龍段混凝土在未達(dá)到強(qiáng)度前不能承受溫度應(yīng)力，需采取措施使它不受力，如可采取臨時束、體外支撐、選擇合理的灌注時間、采取添加U微型膨脹劑及降溫等措施達(dá)到預(yù)期的目的。

采用上述兩種方式，內(nèi)力的影響主要體現(xiàn)在彎矩的差異（15%左右），對其余指標(biāo)的影響較小，兩者的各項指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，考慮到采用先中后邊的方式有利于掛籃的周期運(yùn)作，可以較快的將合龍撤除的掛籃用于其余階段施工，節(jié)省工程造價，且由于Y構(gòu)合龍后形成穩(wěn)定體系，可以減少臨時支承體系的多次轉(zhuǎn)換過程，在設(shè)計時最終采用先中后邊的方式處理。

此外，合龍段壓重、合龍溫度、預(yù)拱度、邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段和跨中下?lián)峡刂贫加绊懼擃悩蛄旱氖┕べ|(zhì)量。按規(guī)定，合龍前應(yīng)在兩端懸臂頂加壓重，并對澆注混凝土過程中同步卸載，使懸臂撓度保持穩(wěn)定。合龍在1d中最低氣溫且溫度恒定時完成，跨中要設(shè)置適中的預(yù)拱度值，且預(yù)拱度的設(shè)置宜大不宜小。邊跨現(xiàn)澆段混凝土一般在落地滿堂式支架上分兩端澆注；先澆注靠近墩（橋臺）梁段，再澆注靠近懸臂段2m的梁段。

3 合龍段頂推力大小的優(yōu)化

Y型剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋因后期上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮與徐變作用，使兩墩之間主梁沿橋面方向伸縮，墩頂與墩底產(chǎn)生較大的彎矩，且墩頂向跨中方向產(chǎn)生的位移。再考慮溫度作用，多種效應(yīng)組合下主墩的受力及其變位將加劇，對墩身會造成不利影響。為解決這一問題，我們做了大量的分析與計算，通過計算分析可知，在橋梁進(jìn)行中跨合龍前對中跨主梁懸臂端施加一個水平推力，讓主墩墩頂預(yù)先向兩側(cè)產(chǎn)生一定的偏移，產(chǎn)生與混凝土收縮、徐變相反的彎矩，可以有效減少成橋后混凝土收縮、徐變的永久內(nèi)力及變位影響，減小永久作用與溫度作用組合的不利效應(yīng)，從而改善墩身及主梁的受力及變位。

合龍溫度及后期混凝土的收縮徐變是主墩產(chǎn)生縱向偏位的主要因素，下面就從這兩個方面進(jìn)行分析研究。

3.1 合龍溫度引起的墩頂水平位移計算

采用懸臂澆筑法進(jìn)行Y型剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋合龍施工中，合龍溫度是影響合龍段施工質(zhì)量甚至整個橋梁結(jié)構(gòu)體系受力的重要因素。理論和實踐研究證明：對于超靜定結(jié)構(gòu)的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過活載應(yīng)力，從而造成預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁產(chǎn)生溫度裂縫。

橋梁合龍時的環(huán)境溫度直接影響著溫度次內(nèi)力引起的結(jié)構(gòu)位移方向。如果合龍時溫度較高，而成橋后溫度下降將會使主梁向跨中收縮，主墩頂部產(chǎn)生向跨中方向的水平位移和轉(zhuǎn)角，容易增大中跨下?lián)稀Ｒ虼?，采用有限元分析的方法能對該項效?yīng)準(zhǔn)確求解。

3.2 收縮徐變引起的墩項水平位移計算

混凝土的徐變一般是沿著已有的轉(zhuǎn)角方向發(fā)生變形，而混凝土收縮產(chǎn)生的變形必然使主梁縮短，其作用效果與結(jié)構(gòu)受整體降溫作用的效果一致。若是在合龍時預(yù)先施加水平推力，并且產(chǎn)生與混凝土收縮、徐變相反的水平位移，同時將主梁的初始轉(zhuǎn)角適當(dāng)減小，這樣就能有效地減小混凝土收縮徐變而引起的梁體下?lián)蠁栴}。但分段施工的每個梁段混凝土的徐變、收縮特性與加載齡期均不同，所以其導(dǎo)致的內(nèi)力重分布是非線性的，因此收縮、徐變引起的水平位移的理論分析與計算過程很難通過解析求解。根據(jù)《橋規(guī)JTG D62》附錄F中的計算公式，利用有限元程序采取逐步計算的方法，可以有效計算混凝土中收縮與徐變變形，得到較為完美的解決。

3.3 合理頂推力的計算

跨中合龍時頂推力大小需根據(jù)實際工程通過計算來確定，頂推力施加后的效果應(yīng)滿足受力及變形和位移兩點要求：頂推力產(chǎn)生的彎矩能部分抵消由結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變等引起的彎矩，降低墩身受力，減少墩身配筋及裂縫寬度；頂推力產(chǎn)生的墩頂預(yù)偏值能部分抵消成橋后上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變在墩頂產(chǎn)生的收縮量。經(jīng)驗表明，橋梁收縮徐變在3a內(nèi)可以基本完成，設(shè)計計算中要求3a后橋梁在永久作用下，墩頂水平位移接近為0，墩身處于鉛直狀態(tài)。

根據(jù)此兩點要求可以初步確定頂推力的下限值，此外還需注意頂推力施加帶來的以下問題：頂推力的施加使橋梁上部結(jié)構(gòu)受到預(yù)壓作用，從而使墩身徐變次內(nèi)力增加。通過計算表明增加的徐變次內(nèi)力小于頂推本身產(chǎn)生的內(nèi)力，頂推效果總體是有利的，只是次內(nèi)力削弱了這種有利效果；通過計算可知混凝土收縮、徐變對墩身的受力影響與溫度降低作用下的影響效果一致，所以，包含這三種作用效果的組合往往是就墩身在極限狀態(tài)下的最不利組合。施加頂推力的目的就是想降低此最不利組合值，但如果施加的頂推力過大，則溫度作用的效果可能由降溫作用效果變位為升溫作用效果，這將使頂推力的施加失去其意義；如果施加過大的頂推力，主梁部分截面的極限狀態(tài)承載能力或壓應(yīng)力有可能不滿足規(guī)范要求，在設(shè)計計算時也應(yīng)注意這一問題。

根據(jù)上述計算時會出現(xiàn)的3類情況初步確定頂推力的上限值，與下限值及施工要求等其他情況綜合考慮，最后可以確定頂推力的大小。

在各頂推位置分別施加0kN、50kN、100kN、200kN，頂推力Y構(gòu)支承處主梁節(jié)點的水平位移見下表1。

從表中可看出，主梁控制截面節(jié)點的水平位移變化與頂推力呈線性變化，即每施加50kN的頂推力，節(jié)點水平位移增加7mm，有了上述節(jié)點位移量與頂推力的關(guān)系，即可開展頂推力優(yōu)化計算和溫度影響、收縮徐變影響的分析。成橋10a后Y構(gòu)支承處節(jié)點的位移如下表2所示。

根據(jù)上述的理論分析，采用100kN的頂推力能夠基本抵消收縮、徐變及溫度產(chǎn)生的位移。未頂推與施加100kN的頂推力兩種工況下，箱梁的應(yīng)力情況如9～12圖所示，由于結(jié)構(gòu)對稱，本文只給出1～80號單元的應(yīng)力情況。

上述結(jié)果表明，頂推與否對于該橋上部結(jié)構(gòu)箱梁的影響不大，在實際操作時可以近似忽略。由此可見，該合龍段卸載方案對于改善墩柱受力以及上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配具有非常明顯的效果。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和現(xiàn)場施工狀況總結(jié)出該類橋型的設(shè)計和施工控制要點，為今后類似橋型的施工提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 路橋集團(tuán)第一公路工程局.JTJ 041-2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社，2008.

[2] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 鮑衛(wèi)剛，周泳濤.預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋梁設(shè)計施工技術(shù)指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4] 鞏海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5] 邱順東.橋梁工程軟件midas Civil應(yīng)用工程實例[M].北京：人民交通出版社，2011.