V墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩底頂推合龍的數(shù)值模擬及控制標(biāo)準(zhǔn)

陳立生 ，石雪飛 ，阮 欣 ，王洪新 ，朱 榮

（1.上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土 V 形墩連續(xù)剛構(gòu)橋具有外形輕盈美觀、結(jié)構(gòu)剛度大、造價經(jīng)濟(jì)等特點，近年來被廣泛地應(yīng)用于鐵路、公路及城市橋梁中[1]。通常，在連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時，在跨中合龍段施加水平頂推力，以此來抵消環(huán)境溫度變化和后期混凝土收縮徐變使梁體發(fā)生縱向伸縮、撓曲和主墩偏位的不利影響[2]。

本文所涉及的某 V 形墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨145 m，屬于大跨徑橋梁。該橋的合龍施工工藝與傳統(tǒng)的剛構(gòu)橋不同，先在墩底設(shè)置臨時可滑動的鉸支座，采用先中跨后邊跨合龍的合龍方式。在中跨合龍后，于 V 形墩墩底施加水平對頂力，這樣相當(dāng)于對中跨施加了一個很強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力，從而消除了施工過程中在墩底產(chǎn)生的水平反力和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次內(nèi)力，并提供跨中主梁預(yù)壓力和一定的反拱度。這種合龍方式的設(shè)計理念、施工工藝、控制方法和措施在國內(nèi)、外都是首次嘗試。

與此同時，橋梁結(jié)構(gòu)的線形在墩底頂推力的作用下會引起較大的變化，需要深入的考慮施工過程中的結(jié)構(gòu)及施工設(shè)備等帶來的不確定性，才能實現(xiàn)對頂推過程的精準(zhǔn)控制，確保全橋順利合龍和軌道交通橋梁對線形的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 工程概況

軌道交通 16 號線泐馬河大橋為 87.5 m+145 m+87.5 m 的 V 形墩預(yù)應(yīng)力混凝土變截面三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，截面形式為單箱單室。梁頂與斜腿中心線相交的理論跨徑為 60.383 m+18.117 m+126.883 m+18.117 m+60.383 m；斜腿中心線與梁底交點處理論梁高 7.215 m，高跨比 1:20.1；跨中梁高 3.0 m，高跨比 1:48.3；梁底曲線采用圓曲線?？傮w布置見圖1。

該橋為城市軌道交通橋梁，跨越一條三級內(nèi)河航道，在此橋位上現(xiàn)有一條雙向 8 車道城市主干道公路橋梁，分為左右兩幅，中間留有凈距僅為5 m，橫斷面布置見圖2。由于橋位凈寬狹小，設(shè)計底板厚度僅為 4.5 m，底板預(yù)應(yīng)力鋼束布置困難，成橋后在活載作用下，主跨跨中底板壓應(yīng)力儲備不足。為了解決此問題，設(shè)計采用中跨合龍后墩底向相頂推的施工方法。此外，該合龍方式還能部分抵消由于預(yù)應(yīng)力張拉和成橋后混凝土收縮徐變在主梁中跨產(chǎn)生的次內(nèi)力，起到改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的效果。然而，墩底頂推產(chǎn)生的附加彎矩使得主梁線形和內(nèi)力狀態(tài)變化劇烈，從而增加了施工控制的難度。

2 墩底頂推計算結(jié)果及分析

2.1 有限元計算模型

利用橋梁博士計算軟件，采用平面梁單元，按照施工順序分階段建立橋梁計算模型。該橋設(shè)計的施工合龍方案為：先中跨合龍，再在墩底施加水平對頂力并張拉中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束、墩底固結(jié)，完成體系轉(zhuǎn)換，使之成為穩(wěn)定的雙懸臂連續(xù)剛構(gòu)橋；然后再邊跨合龍，最終形成三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁。根據(jù)設(shè)計合龍方案將頂推合龍施工過程共分 5個施工階段，主梁沿縱橋向分 107 個單元；兩個主墩分 26 個單元，只考慮縱向預(yù)應(yīng)力筋的作用，線形按照實際的設(shè)計線形布置。邊界條件：墩底固結(jié)，兩邊跨端部設(shè)置豎向支承，計算模型見圖3。

2.2 計算結(jié)果及分析

圖1 主橋立面圖（單位：mm）

圖2 主橋橫斷面

圖3 有限元計算模型

墩底合龍頂推的控制指標(biāo)主要有墩底水平位移、中跨跨中撓度、邊跨懸臂端部撓度和頂推力四項。根據(jù)現(xiàn)場支座縱橋向的允許位移量 100 mm 來施加頂推力。因此，施工控制以墩底水平位移作為基本控制目標(biāo)，以此來調(diào)整頂推力并計算出中跨跨中撓度和邊跨懸臂端撓度等控制指標(biāo)，計算結(jié)果見表1。

表1 各控制指標(biāo)理論計算值（單位：mm）

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：由于一期中跨合龍束為頂板束，所以在張拉跨中合龍束一期后，中跨主梁下?lián)隙吙缰髁荷蠐?，變形量較小，均為2 mm，結(jié)構(gòu)變形見圖4(a)。施工時應(yīng)密切注意跨中主梁結(jié)構(gòu)下緣的應(yīng)力狀態(tài)，以免出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力而使跨中主梁開裂。與此同時，V 墩及 0#塊形成的倒三角體系有繞著墩底向中跨側(cè)轉(zhuǎn)動的趨勢，在墩底將產(chǎn)生向中跨側(cè)方向的水平反力。

在第一次墩底頂推行程 20 mm 時，施加的頂推力為 155（t 不含支座摩擦力），中跨主梁上撓而邊跨主梁下?lián)?，V 墩及 0#塊所組成的倒三角結(jié)構(gòu)繞著墩頂向邊跨側(cè)方向轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)變形見圖4（b）。邊跨側(cè)主梁的變形大于中跨側(cè)，這是由于邊跨主梁為單懸臂的靜定結(jié)構(gòu)，其主梁豎向變形與墩底水平位移呈幾何對應(yīng)關(guān)系，而中跨主梁結(jié)構(gòu)變形受到中跨主梁剛度的影響，所以，在頂推過程中，邊跨主梁的線形較中跨主梁線形更容易控制，只要墩底水平位移量確定，邊跨撓度一定與之一一對應(yīng)。

張拉跨中合龍束二期時，頂推千斤頂維持第一次頂推結(jié)束時的油壓不變，支座處于滑動的臨界狀態(tài)，一旦張拉中跨合龍束，墩底將發(fā)生位移。張拉中跨合龍束二期使墩底位移 59 mm，中跨跨中上撓 188 mm，邊跨懸臂端下?lián)?211 mm。結(jié)構(gòu)變形見圖4（c）。

第二次頂推只需產(chǎn)生 21 mm 的墩底位移即可達(dá)到最大位移 100 mm 的要求，計算得到施加的頂推力為 65 t，結(jié)構(gòu)變形見圖4（d）。

圖4 墩底頂推結(jié)構(gòu)變形圖

3 墩底合龍頂推施工控制方法及原則

中跨合龍后的墩底頂推相當(dāng)于對中跨主梁施加預(yù)應(yīng)力，并使中跨向上拱而邊跨下?lián)?。在頂推過程中，中跨主梁各截面應(yīng)力狀態(tài)可能發(fā)生改變，并伴隨主梁線形的顯著變化。若事先無法對頂推后結(jié)構(gòu)的線形狀態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確地判斷，將使成橋后主梁線形與目標(biāo)狀態(tài)偏差較大，不但影響橋梁線形美觀和行車舒適性，還會危及到結(jié)構(gòu)安全。因此，對結(jié)構(gòu)變形在合龍頂推過程中的準(zhǔn)確計算及制定合理的施工控制方案尤為重要。

3.1 施工控制方法

該橋的合龍頂推施工控制基本流程與采用懸臂施方法的橋梁基本相同，是一個施工→測量→識別→修正（調(diào)整）→預(yù)告→施工的循環(huán)過程[3]，其實質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)（主要是施工標(biāo)高）順利推進(jìn)。而實際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài)，還是實際施工，都存在誤差。所以，施工控制的核心就是對各種誤差進(jìn)行分析、識別、調(diào)整，對結(jié)構(gòu)的未來狀態(tài)做出預(yù)測。

與主梁懸臂施工不同，墩底合龍頂推的施工工藝所涉及到的控制指標(biāo)較多，理論上各控制指標(biāo)存在著一一對應(yīng)的關(guān)系，但是在實際工程中，影響各控制指標(biāo)對應(yīng)關(guān)系的因素較多，各指標(biāo)不能同時達(dá)到既定的目標(biāo)。因此，在具體的操作中，根據(jù)各控制指標(biāo)對實現(xiàn)施工控制目標(biāo)的重要程度分為基本控制指標(biāo)和校核控制指標(biāo)。在保證基本控制指標(biāo)達(dá)到預(yù)計設(shè)定的目標(biāo)時，校核其余控制指標(biāo)，使其與預(yù)計值之間的誤差控制在設(shè)定的容忍誤差范圍以內(nèi)，超出容忍誤差范圍則提出預(yù)警，并通過相關(guān)控制手段來進(jìn)行調(diào)整，直至回到容忍誤差范圍以內(nèi)。

鑒于合龍頂推施工時誤差糾正的措施有限，控制誤差的發(fā)生就顯得極為重要。為了保證全橋順利合龍和頂推施工的順利進(jìn)行，在進(jìn)行頂推前，處于雙懸臂結(jié)構(gòu)時的主梁線形的誤差須嚴(yán)格控制在可以接受的范圍以內(nèi)，經(jīng)誤差分析、修正參數(shù)并重新計算，預(yù)測頂推后主梁的線形，以保證邊跨順利合龍。所以，采用自適應(yīng)控制方法[4]對該橋合龍頂推施工過程進(jìn)行控制也是很有效的。

3.2 施工控制原則

該橋合龍頂推的施工控制原則為：以墩底水平位移為基本控制指標(biāo)，保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，以全橋順利合龍為最終控制目標(biāo)，在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，盡量使墩底頂推位移達(dá)到限值。

在明確合龍頂推施工控制的原則以后，根據(jù)控制目標(biāo)，制定相應(yīng)的控制流程與方法。各控制指標(biāo)誤差容忍范圍見表2。

表2 各控制指標(biāo)誤差容忍范圍

4 結(jié)語

V 形墩連續(xù)剛構(gòu)橋合龍墩底頂推施工工藝在國內(nèi)外還是首次嘗試，采用這種施工方法的主要目的是為了彌補(bǔ)中跨主梁截面下緣壓應(yīng)力儲備不足而設(shè)計的，同時，也能解決環(huán)境溫度變化和混凝土后期的收縮徐變所帶來的梁體伸縮、撓曲等問題。合龍墩底頂推施工給主梁的線形控制帶來困難，研究表明：采用以頂推位移控制為主，頂推力進(jìn)行校核的控制原則對成橋主梁線形控制最為有利；同時，利用自適應(yīng)的控制方法對 V 形墩連續(xù)剛構(gòu)橋采用此種合龍墩底頂推工藝的橋梁的施工控制而言，也是合適的。

[1] 陳銘,楊正武.千島湖大橋主橋設(shè)計構(gòu)思[J].橋梁建設(shè),2003(2):35-37.

[2] 張繼堯,王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 向中富.橋梁工程控制[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4] 石雪飛,項海帆.斜拉橋施工控制方法的分類分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2001,29(1):55-59.