多跨連續(xù)剛構橋合理合龍順序分析

武鴻玉,鄒 威

(重慶交通大學 土木建筑學院,重慶 400074)

引言

連續(xù)剛構橋是大跨度預應力混凝土橋梁的主要橋型之一,它是連續(xù)梁橋與 T形剛構橋的組合橋型,兼具二者的優(yōu)點.由于省去了大型支座,不受支座噸位限制,它比連續(xù)梁橋有更大的跨越能力,而且后期維護費用極低;墩梁固結使其體系轉換過程相對簡單,施工安全性高.連續(xù)剛構橋多采用柔性橋墩,這種墩型對該多次超靜定體系由預應力、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素引起的縱向變形有很好的適應性.連續(xù)剛構橋主要采用懸臂施工方法(懸臂澆筑或懸臂拼裝),合龍之前的施工階段,T構的結構和荷載都基本處于對稱狀態(tài),受力簡單明確.由于連續(xù)剛構橋中墩梁固結為一個整體,箱梁與高墩的變形與內力相互協(xié)調、相互影響,必須把二者同時分析.

合龍施工是懸臂施工預應力連續(xù)梁橋施工的重要環(huán)節(jié),此時橋梁結構體系發(fā)生轉化,尤其在多跨連續(xù)梁中,不同的合龍順序對橋梁結構的內部應力和位移會產生一定的影響,而且施工的繁簡程度、人工與設備的投入情況也有較大差異,因此要通過充分的論證,尋求結構內力與位移方面和施工繁簡程度方面的最優(yōu)組合,以達到最大的社會與經濟效益.針對這個問題,本文以廣樂高速玉井特大橋為例,通過對其應力與變形情況以及施工情況進行比較分析,得出最優(yōu)合龍順序方案.

1 工程概況

玉井特大橋主橋上部構造為50 m+3×90 m+50 m五跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋.箱梁斷面采用單箱單室,根部梁高5.7 m,跨中梁高2.6 m,頂板厚28 cm,底板厚從跨中至根部由28 cm變化為60 cm,腹板從跨中至根部分兩段采用45 cm、75 cm兩種厚度,箱梁高度和底板厚度按2次拋物線變化,箱梁頂板橫向寬16.50 m,箱底寬8.0 m,翼緣懸臂長4.325 m.橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土層,布置為0.5 m(防撞護欄)+15.568 m(行車道)+0.432 m(防撞護欄).下部結構,6#墩、9#墩為雙肢等截面矩形實體薄壁墩,截面尺寸8×1.5 m,7#墩、8#墩為單肢等截面矩形空心薄壁墩,截面尺寸8×6 m.大橋整橋示意圖見圖1.

圖1 玉井特大橋示意圖

2 可能的合龍順序討論

目前我國修建的連續(xù)梁橋以及連續(xù)剛構橋所采用的合龍順序一般有以下五種.

(1)先將各T構連成Π構,然后連接各個Π實現(xiàn)全橋合龍.這種方法又稱為先靜定“小合龍”,再超靜定“大合龍”.“小合龍”施工中有多個工作面,各工作面之間互不影響,進度較快,合龍施工中比較靈活,當跨數增多時,可以采用多種“大合龍”的組合方式.

(2)從兩端對稱往中間合龍.

(3)從中間往兩端對稱合龍.(2)、(3)兩種合龍方式都是對稱施工,都有兩個工作面,施工速度較快,施工組織較簡單.

(4)全橋一次全部合龍.這種合龍方式無疑是施工速度最快的,但需要較多的施工人員和設備,施工中協(xié)調組織工作量大,難度高;張拉跨中合龍束時,合龍束引起較大的次內力[4].

(5)從一端依次往另一端合龍.這種方式施工中做好的 T構可以馬上連成整體,施工中結構穩(wěn)定性高,但施工進度太慢,尤其是在跨數較多的時候,只有在施工機具非常緊張,沒有工期要求的時候可以考慮采用.

據統(tǒng)計第1、2種方法使用較多,第3、4種方法使用較少,第5種方法現(xiàn)在幾乎不再使用[5].

相應于以上幾種合龍順序,本文對以下幾種情況進行了對比分析.

順序1:先合龍第1、3、5跨,再合龍第2、4跨;

順序2:先合龍第1、5跨,然后合龍第2、4跨,最后合龍第3跨;

順序3:先合龍第3跨,然后合龍第2、4跨,最后合龍第1、5跨;

順序4:五跨全部一次合龍;

順序5:依次合龍第1～5跨.

3 施工過程結構分析

本文分析采用Midas/civil7.9結構分析軟件進行施工階段分析.主橋箱梁采用C50混凝土,主橋墩身采用C40混凝土.全橋的縱橫向以及豎向的預應力鋼筋采用sφ15.2鋼絞線,共294束.采用梁單元模擬箱梁與橋墩,箱梁劃分為125個單元,橋墩劃分為193個單元,全橋共劃分為318個單元.6#～9#墩底端邊界簡化固定端,上端與箱梁剛性連接,5#墩與 10#墩為過渡墩,模型未建出,橋梁兩端直接落在可動鉸支座上(全橋模型見圖2).1#～10#標準節(jié)段分別劃分為三個施工階段,分別為掛籃前移/拼裝(1天)、混凝土澆筑(7天)、鋼束張拉(1天).

圖2 全橋整體空間模型

施工階段分析中考慮的荷載有結構自重、施工荷載、預應力荷載、二期恒載,所得應力與位移均為各項荷載分別作用下的合計值,以下分析均基于最后一個施工階段(橋面鋪裝完成)的結果.

表 1為各方案成橋時墩頂水平位移.從表中可以看出不同合龍順序對剛構橋成橋后墩頂位移有一定的影響.順序4中各墩墩頂位移均較小,從變形角度來看應該是最優(yōu)方案,但是這種全橋一次合龍的施工方案,對于多跨長聯(lián)的剛構橋來說施工中一次投入比較大,不夠經濟,除非工期要求非常緊迫,否則已幾乎不再使用;順序1中各墩頂位移比較均勻,也比較小,是目前采用較多的合龍方案;順序3中各墩頂位移也比較均勻,但比順序1普遍要大;順序2與順序5中邊墩位移比其他幾種順序都要大.

表1 不同合龍順序下墩頂位移/(m)

表2為各合龍順序施工階段墩身最大應力,墩身最大應力出現(xiàn)在墩底位置.從表中可以看出,不同合龍順序對6#墩、9#墩最大應力影響較大,最大差值與其相應均值之比達到20%,對7#墩、8#墩影響較小,最大差值與其相應均值之比為6%到8%.各墩最大應力的最小值均出現(xiàn)在順序4中,其次順序1中邊墩應力均小于其他三種,順序2與順序5中應力值均較大.

表2 橋墩最大應力/(MPa)

表 3為各合龍順序成橋時箱梁頂板與地板最大應力值以及最大應力出現(xiàn)的截面位置.表中可以看出,頂板最大壓應力出現(xiàn)在箱梁四分之一跨附近,底板最大壓應力出現(xiàn)在距跨中兩個號塊的位置,其各種順序最大差與相應平均值之比,頂板為6%,底板為5%,都比較小.

表3 箱梁最大應力/(MPa)

4 結論與建議

在當前我國橋梁工程大規(guī)模建設時期,連續(xù)剛構橋以其受力合理、施工技術簡單可靠、經濟性好、行車舒適等諸多優(yōu)勢成為選用最多的橋型之一.設計與施工中橋體結構的內力與變形的合理與優(yōu)化是我們最為關切的問題,這是保證橋梁的安全、適用、耐久的基礎;同時施工方法的簡便性、安全性與經濟性也是工程建設中必須考慮的問題.根據本文對依托工程橋梁的分析可以得出以下結論與建議:

不同合龍順序對該多跨連續(xù)剛構橋墩頂位移與墩身應力影響較大,且對邊墩影響比中墩要大,對箱梁頂板與底板應力影響較小.墩頂位移產生的原因可以分成兩部分,一部分由箱梁軸向變形引起,一部分由荷載不對稱或結構不對稱引起,對各墩而言,兩者或同向或反向,這要通過具體分析來確定.

通過分析比較,本橋較采用順序1較為合理,即先合龍第1、3、5跨,再合龍第2、4跨,這也是本工程最終采用的合龍施工順序.這種合龍順序能使得墩頂位移與墩梁應力均取得較小值,成橋結構性能優(yōu)越,而且只需兩步即可完成全橋合龍,大大提高施工進度,設備一次投入較為合理,有較好的經濟效益.順序4全橋一次合龍雖然內力與位移都比較理想,但是由于一次投入大,施工協(xié)調與控制難度高,所以不推薦采用.其他幾種合龍順序與第 1種相比,在結構受力與變形控制方面或者施工方便性方面有所不及,但從結構分析結果來看,內力與變形的絕對差值都不大,當實際施工中順序1受限制不宜采用時,也可依據實際情況選取其他幾種合龍順序.

[1] JTG D62)2004,公路鋼筋砼及預應力砼橋涵設計規(guī)范[S].

[2] JTG D60)2004,公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3] 范立礎.橋梁工程(上冊)[M].北京:人民交通出版社,2001

[4] 劉吉士,張俊義.橋梁施工百問[M].北京:人民交通出版社,2003

[5] 郝海峰.多跨預應力混凝土連續(xù)梁橋合理合龍方案研究[D].西安:長安大學碩士學位論文,2011

[6] 胡清和.多跨連續(xù)剛構橋構造分析及合龍技術研究[D].重慶:重慶交通大學碩士學位論文,2009

[7] 周 鑫,張雪松,向中富.懸臂施工連續(xù)梁橋合攏方案的討論[J].公路交通技術,2006,4(7)