大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力計(jì)算方法研究

蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070

摘要：大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在成橋后混凝土收縮徐變及溫度變化將對(duì)主梁及橋墩的變形和內(nèi)力產(chǎn)生影響。以長(zhǎng)寧河特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，闡述了如何確定連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推力的大小，并且通過有限元軟件分析了頂推前后連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的比較分析，結(jié)果表明合理的頂推力能有效改善橋墩受力。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；合龍；頂推力；受力特性

1.工程概況

長(zhǎng)寧河特大橋是黃韓侯鐵路線上的一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋，跨徑組合為60m+100 m+100 m+60 m。設(shè)計(jì)為雙線，箱梁采用單箱單室變高度直腹板箱梁截面，墩頂處梁高7.4m，合龍段及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.5m，梁底曲線為二次拋物線，箱頂寬為12.5m，箱梁底寬為6.8m。該橋主墩6#、7#、8#橋墩采用圓弧端矩形空心墩，其中6#墩高60m、7#墩高72m、8#墩高63m。主梁混凝土A0梁端采用C50纖維混凝土，其余采用C50號(hào)，墩身混凝土為材料分界線以上為C50號(hào)、以下為C45號(hào)。該橋箱梁采用懸臂澆筑法施工，合龍順序?yàn)橄戎锌绾淆堅(jiān)龠M(jìn)行邊跨合龍。橋型布置圖見圖1。

圖1 黃韓侯長(zhǎng)寧河特大橋主橋橋型布置圖

2.頂推力目的

懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，在施工及營(yíng)運(yùn)過程中受到混凝土收縮徐變及溫度變化等因素的影響會(huì)使梁體產(chǎn)生豎向位移、水平位移及附加內(nèi)力，造成主墩的偏位，對(duì)主墩受力不利。為了優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況，在連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時(shí)對(duì)梁體施加水平頂推力，給主墩施加一個(gè)反向位移，來抵消收縮徐變及溫度變化等因素引起的主墩水平位移。

3.合龍頂推力理論計(jì)算

3.1計(jì)算模型

本文運(yùn)用Midas civil有限元軟件按照施工順序建立橋梁計(jì)算模型，采用梁?jiǎn)卧?，全橋?23個(gè)梁?jiǎn)卧?，邊界條件為6#、7#、8#主墩墩底固結(jié)，主梁與墩頂剛性連接，兩邊跨端部設(shè)置活動(dòng)支座。計(jì)算模型見圖2。

圖2 黃韓侯長(zhǎng)寧河特大橋空間分析有限元模型

3.2計(jì)算合龍頂推力

3.2.1墩頂水平位移量確定

對(duì)黃韓侯長(zhǎng)寧河特大橋進(jìn)行有限元分析計(jì)算，由midas有限元軟件計(jì)算在施工、營(yíng)運(yùn)下主墩由于梁體混凝土收縮徐變及溫差引起的水平位移，結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)以北塬至芝陽(yáng)方向?yàn)檎?/p>

表1 混凝土收縮徐變引起的墩頂水平位移值

混凝土收縮徐變引起的墩頂水平位移值/mm

6#橋墩7#橋墩8#橋墩

位移值38.440.07-38.29

3.2.2頂推力計(jì)算結(jié)果

在合龍段對(duì)梁體施加水平頂推力，消除由于施工、營(yíng)運(yùn)下主墩由于梁體混凝土收縮徐變及溫差引起的水平位移，同時(shí)也部分消除了結(jié)構(gòu)附加的應(yīng)力。具體的計(jì)算中，首先，可根據(jù)已建的類似橋梁施工中施加的頂推力，初定橋梁頂推力大小。下一步，分析得到初定頂推力作用下，梁體頂推后的縱向位移、梁體應(yīng)力、墩的受力和成橋后梁體應(yīng)力。接著，根據(jù)初定頂推力作用下全橋的受力情況調(diào)整頂推力大小。最后，通過綜合比較梁確定合理的頂推力。這種方法計(jì)算頂推力時(shí)，是以墩頂?shù)奈灰屏縼砜刂祈斖屏?，并且通過有限元程序分析多次試算確定。

通過有限元軟件反復(fù)幾次試算和比較后，確定該橋合龍時(shí)的頂推力為4000kN，使得各墩墩頂?shù)乃轿灰频睦塾?jì)值與收縮徐變產(chǎn)生的墩頂水平位移值相抵消計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 施加頂推力引起墩頂水平位移值

施加頂推力引起墩頂水平位移值/mm

6#橋墩7#橋墩8#橋墩

理論位移值-39.330.0738.83

實(shí)測(cè)平均位移值-37.00/35.00

由表1與表2的數(shù)據(jù)相比較，由于混凝土收縮徐變引起的墩頂?shù)乃狡慌c施加4000kN頂推力所引起的理論墩頂水平偏位在數(shù)值上基本相等，方向相反，一般偏差在1mm以內(nèi)，施加頂推力后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相差不大，說明施加4000kN的頂推力能達(dá)到預(yù)期的效果。

3.2.3頂推力的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際懸臂施工過程中，一般不便在箱梁截面形心處施加頂推力，故在梗肋處施加，施加的頂推力P將對(duì)箱梁截面形心產(chǎn)生偏心外力矩Pe，其中e為頂推力P的偏心矩。因此，在有限元模型計(jì)算中，需考慮水平頂推力和偏心外力矩共同作用下的水平偏位值。

按設(shè)計(jì)的合龍施工順序，首先同時(shí)合龍6號(hào)墩與7號(hào)墩，7號(hào)墩與8號(hào)墩之間兩個(gè)中跨，再合龍邊跨。其中只在合龍次邊跨的時(shí)候考慮頂推力，邊跨合龍不考慮頂推力。黃韓侯長(zhǎng)寧河特大橋合龍頂推在晚間低溫進(jìn)行狀態(tài)進(jìn)行，使頂推時(shí)梁體溫度接近于橋梁設(shè)計(jì)年平均溫度，以減少合龍溫差對(duì)合龍段的影響，為了保證合龍頂推時(shí)橋梁的安全性，頂推過程中按照同步、逐級(jí)加載的原則，當(dāng)四臺(tái)千斤頂均加載至4000kN時(shí)，停止加載，然后焊接合龍段勁性骨架，鎖定合龍口，再拆除千斤頂，頂力轉(zhuǎn)移撐桿，這樣可將頂推力存儲(chǔ)于梁體。

4.頂推力前后受力分析

進(jìn)行合龍的目的就是為了消除由于混凝土收縮徐變及溫度變化等因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加次內(nèi)力和主墩水平位移。將黃韓侯長(zhǎng)寧河特大橋在不施加頂推力與施加頂推力前后的梁體應(yīng)力及橋墩內(nèi)力變化作比較，僅列出部分控制截面的理論應(yīng)力（表3），實(shí)測(cè)應(yīng)力（表4）及主墩內(nèi)力變化（表5），其中本橋應(yīng)力所用測(cè)試元件為常州金土木工程儀器有限公司生產(chǎn)的振弦式應(yīng)變儀和JTM-V10A型測(cè)讀儀等。

4.1無(wú)頂推與施加頂推后主梁應(yīng)力比較

表3 成橋狀態(tài)下無(wú)頂推與施加頂推后主梁控制截面理論應(yīng)力

項(xiàng)目：成橋理論應(yīng)力邊跨1/26#墩右側(cè)6#墩左側(cè)中跨1/27#墩右側(cè)7#墩左側(cè)

無(wú)頂

推力上緣左側(cè)-6.81-6.06-8.15-4.42-6.50-6.71

上緣右側(cè)-7.03-6.21-7.98-4.54-6.70-6.50

下緣左側(cè)-6.49-6.08-3.50-5.76-4.82-4.69

下緣右側(cè)-6.37-5.99-3.60-5.69-4.70-4.81

頂推力上緣左側(cè)-6.82-6.06-8.00-4.27-6.38-6.60

上緣右側(cè)-7.03-6.21-7.83-4.39-6.59-6.39

下緣左側(cè)-6.47-6.06-3.51-5.56-4.78-4.65

下緣右側(cè)-6.34-5.97-3.61-5.49-4.66-4.78

表4 成橋狀態(tài)無(wú)頂推與施加頂推后主梁控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)力

項(xiàng)目：成橋?qū)崪y(cè)應(yīng)力邊跨1/26#墩右側(cè)6#墩左側(cè)中跨1/27#墩右側(cè)7#墩左側(cè)

無(wú)頂推力上緣左側(cè)-6.37-6.61-7.74-4.76-7.02-6.43

上緣右側(cè)-6.03-6.87-7.55-4.91-7.00-6.25

下緣左側(cè)-6.21-5.89-3.39-5.22-4.54-4.43

下緣右側(cè)-6.15-5.97-3.26-5.48-4.15-4.22

頂推力上緣左側(cè)-6.56-6.11-7.65-4.67-6.65-6.56

上緣右側(cè)-6.43-6.13-7.35-4.31-6.52-6.21

下緣左側(cè)-6.20-6.01-3.16-5.21-4.12-4.21

下緣右側(cè)-6.22-6.05-3.31-5.65-4.01-4.03

從表3、表4可以看出無(wú)論頂推與否，主梁理論與實(shí)測(cè)應(yīng)力變化很小，邊跨控制截面頂推后上緣與下緣應(yīng)力有所增加，中跨控制截面頂推后上緣與下緣應(yīng)力有所減小，并且都在規(guī)范容許值范圍內(nèi)，所以頂推力的施加對(duì)主梁的應(yīng)力影響不大。