基于墩頂位移確定鐵路連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推力

郭錚

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

基于墩頂位移確定鐵路連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推力

郭錚

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

為改善由溫度變化和混凝土收縮徐變引起的附加彎矩對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，在剛構(gòu)合龍前施加適當(dāng)?shù)捻斖屏?，是較為理想的工程措施。本文以尕吉拉尕大橋?yàn)槔ㄟ^(guò)對(duì)不同合龍頂推力所產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，明確了合龍頂推力大小可以通過(guò)消除墩頂?shù)牟焕轿灰苼?lái)確定，而合理頂推力消除的水平位移應(yīng)等于整體升降溫引起的不平衡位移差與成橋初期混凝土收縮徐變作用引起的位移之和。采用本方法確定合龍頂推力較為簡(jiǎn)便，可供同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)及施工參考。

連續(xù)剛構(gòu) 頂推力 位移 溫度力 收縮徐變

連續(xù)剛構(gòu)橋因其整體剛度大，結(jié)構(gòu)靜力性能和動(dòng)力性能較好等特點(diǎn)，在活載大、剛度要求高的鐵路橋梁中應(yīng)用前景廣闊。但連續(xù)剛構(gòu)由于墩梁固結(jié)，是多次超靜定結(jié)構(gòu)，連續(xù)剛構(gòu)合龍后，溫度效應(yīng)和混凝土收縮徐變會(huì)在橋墩引起很大的附加彎矩及墩頂水平位移;尤其當(dāng)橋墩剛度較大時(shí)，這種不利附加彎矩影響尤為突出。為減輕該不利影響，在連續(xù)剛構(gòu)施工合龍前施加適當(dāng)?shù)捻斖屏κ切兄行У膽?yīng)對(duì)措施。

頂推力主要為抵消溫度力及混凝土收縮徐變作用下產(chǎn)生的水平位移而設(shè)。其中由溫度力產(chǎn)生的水平位移較為明確，只需抵消整體升降溫引起的位移差即可。而混凝土收縮徐變作用具有隨時(shí)間增加而增大的特點(diǎn)，頂推力應(yīng)抵消多少收縮徐變作用引起的位移，成為設(shè)計(jì)時(shí)需確定的主要參數(shù)之一。該參數(shù)的取值主要有以下兩種思路:①頂推力僅抵消成橋初期混凝土收縮徐變引起的部分水平位移，使成橋初期墩頂水平位移為0;②頂推力抵消收縮徐變引起的所有水平位移，使收縮徐變基本完成時(shí)墩頂水平位移為0。本文將以實(shí)際工程為背景，通過(guò)對(duì)不同頂推力效應(yīng)的比較與分析，確定合理的頂推力，較好地改善結(jié)構(gòu)受力情況。

1 工程概況

蘭合鐵路尕吉拉尕大橋位于甘肅省甘南藏族自治州夏河縣境內(nèi)，該橋位于V形溝溝口，地形復(fù)雜。為跨越V形深溝，減少刷方，設(shè)計(jì)采用一聯(lián)(60+2×100 +60)m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，全橋布置如圖1所示。該橋位于R=800 m的曲線(xiàn)上，采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁上部結(jié)構(gòu)，單箱單室截面，箱梁頂寬7.5 m，底寬5.0 m;中支點(diǎn)處梁高7.5 m，跨中及邊跨梁端處梁高4.6 m;梁體下緣除中跨合龍段及邊跨梁端為等高直線(xiàn)段外，其余按二次拋物線(xiàn)變化。橋墩墩身均采用鋼筋混凝土矩形薄壁空心墩。1#，3#主墩墩頂縱橫向尺寸為6 m×7.5 m，墩身縱向直坡，墩壁縱向厚0.8 m，橫向外坡35∶1，內(nèi)坡45∶1，墩壁橫向隨坡率變厚，墩頸最薄處為0.8 m，墩高為37 m。2#主墩墩頂縱橫向尺寸為7.0m×7.5m，墩身縱向直坡，墩壁縱向等厚為1.2 m，橫向外坡35∶1，內(nèi)坡45∶1，墩壁橫向隨坡率變厚，墩脛最薄處為1.2 m，墩高為58 m。

圖1 尕吉拉尕大橋立面(單位:cm)

2 有限元模型的建立

2.1 單元?jiǎng)澐?/p>

本橋計(jì)算程序采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)ASCB》軟件。梁部采用縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，其中縱向按全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計(jì)。全橋按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算，共計(jì)152個(gè)單元，156個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中梁部110個(gè)單元，橋墩42個(gè)單元。主墩與梁體采用主從約束連接，樁基礎(chǔ)考慮樁基土的作用效應(yīng)，采用節(jié)點(diǎn)彈簧約束。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 尕吉拉尕大橋計(jì)算模型

2.2 施工階段劃分

全橋模型由3個(gè)T構(gòu)、2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段、3個(gè)合龍段及2個(gè)邊跨超懸灌段組成。具體的施工階段劃分為:施工橋墩及0#段→采用懸灌法對(duì)稱(chēng)施工1#～12#段→采用懸灌法超懸臂澆筑邊跨13#段(為保持受力平衡在跨中配重)→邊跨合龍、完成體系轉(zhuǎn)換、取消配重→施加頂推力→中跨合龍→成橋。

2.3 主要設(shè)計(jì)荷載的取值

設(shè)計(jì)荷載均按鐵路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范取值，其中對(duì)頂推力影響較大的溫度荷載及混凝土收縮徐變計(jì)算參數(shù)如下:

1)溫度荷載

結(jié)合橋位處氣象資料，設(shè)計(jì)合龍溫度接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?2.2℃)按5℃計(jì)算，整體升、降溫分別為20℃，－25℃。橋面板升溫根據(jù)鐵路規(guī)范取5℃。主墩左右日照溫差采用 ±5℃，混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.000 01/℃。以上溫度模式按實(shí)際最不利情況組合。

2)混凝土收縮徐變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)

梁體采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土?；炷良虞d齡期取7 d，按野外一般條件考慮，大氣相對(duì)濕度取70%。

3 不加頂推力時(shí)成橋的受力情況

為研究分析頂推力的大小，定義整體升降溫引起的位移差為δ1;成橋10 d時(shí)為成橋初期，成橋初期混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的水平位移為δ2;定義成橋10年為混凝土收縮徐變最終完成時(shí)間，成橋10年時(shí)混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的水平位移為 δ3。在不加頂推力工況下，本橋控制節(jié)點(diǎn)的水平位移及最不利荷載作用下墩底彎矩情況如表1(大里程方向?yàn)檎?，以下?、表2所示。

由表1、表2可以看出，在合龍未施加頂推力時(shí)，2#墩因橋墩高剛度小且橋墩兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，溫度力及混凝土收縮徐變對(duì)其影響較小。而1#墩因橋墩低剛度大，對(duì)梁縱向約束大，墩頂溫度力與收縮徐變共同作用下，使墩頂位移及墩底彎矩過(guò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力極為不利，因此在合龍前施加頂推力是非常必要的。

表1 控制節(jié)點(diǎn)的水平位移 mm

表2 最不利荷載組合下墩底彎矩 kN·m

4 頂推力的確定及分析

4.1 頂推力大小的確定

以溫度力及混凝土收縮徐變作用在成橋初期產(chǎn)生的位移δ1+δ2=4.4+16.8=21.2 mm，以及成橋10年產(chǎn)生的位移 δ1+δ3=4.4+24.8=29.2 mm為控制變量，對(duì)溫度應(yīng)力及混凝土收縮徐變影響較大的1#墩進(jìn)行試算得:當(dāng)頂推力為6 300 kN時(shí)，成橋初期墩頂位移為0;當(dāng)頂推力為8 800 kN時(shí)，成橋10年墩頂位移為0。

4.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為確定合理的頂推力值，結(jié)合本橋?qū)嶋H，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)剛構(gòu)在兩種荷載工況下各個(gè)階段的受力情況做認(rèn)真對(duì)比，得出控制頂推力。

1)運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合下墩底彎矩(表3)由表3可看出通過(guò)頂推力的施加，對(duì)橋墩抵消附加彎矩產(chǎn)生了較為突出的作用，頂推力為6 300 kN時(shí)，成橋初期橋墩的受力狀態(tài)最優(yōu)。頂推力為8 800 kN時(shí)，成橋10年橋墩的受力狀態(tài)最優(yōu)。

表3 最不利荷載組合下墩底彎矩對(duì)照 kN·m

2)運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合下主梁應(yīng)力

運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合下主梁應(yīng)力見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 成橋初期主梁邊跨下緣正截面混凝土壓應(yīng)力

圖4 成橋10年主梁邊跨下緣正截面混凝土壓應(yīng)力

圖3、圖4可看出，在運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合下，成橋10年時(shí)，雖然施加6 300 kN和8 800 kN的頂推力，主梁邊跨下緣正截面混凝土壓應(yīng)力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但在成橋初期，當(dāng)頂推力為8 800 kN時(shí)，主梁邊跨下緣正截面混凝土壓應(yīng)力較小(15號(hào)單元僅0.15 MPa)，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)以上對(duì)運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載作用下墩底彎矩及主梁應(yīng)力對(duì)比分析可知:

1)當(dāng)頂推力為8 800 kN時(shí)，收縮徐變基本完成(成橋10年)后，橋墩受力更為合理;但在該頂推力作用下，因頂推力過(guò)大，頂推力參與與升溫荷載組合，使成橋初期邊跨跨中位置主梁下緣正截面混凝土壓應(yīng)力較小，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2)當(dāng)頂推力為6 300 kN時(shí)，雖然隨著收縮徐變作用力產(chǎn)生的內(nèi)力增大，橋墩墩身彎矩逐漸增大，但相對(duì)于不加頂推力時(shí)的墩底彎矩降低了32.0%，大大改善了橋墩的受力狀態(tài)，通過(guò)在橋墩受力較大范圍加強(qiáng)配筋即能滿(mǎn)足規(guī)范要求。從梁部受力狀態(tài)情況看，成橋初期受頂推力的影響，雖然主梁邊跨下緣正截面混凝土壓應(yīng)力也在減小，但因頂推力適中，應(yīng)力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)橋在合龍前施加適當(dāng)?shù)捻斖屏?，是改善結(jié)構(gòu)受力、優(yōu)化設(shè)計(jì)較為理想的工程措施。

合龍頂推力可以通過(guò)消除墩頂不利的水平位移確定，該水平位移大小為整體升降溫引起的不平衡位移差與成橋初期混凝土收縮徐變作用引起的位移之和。確定頂推力產(chǎn)生的水平位移后，通過(guò)有限元程序試算，最終確定合龍頂推力。

值得注意的是，整體升降溫的大小與合龍溫度有直接關(guān)系;實(shí)際施工中合龍溫度與設(shè)計(jì)溫度難免有偏差，為保證頂推力準(zhǔn)確，在施工前應(yīng)根據(jù)實(shí)際的合龍溫度調(diào)整溫度力產(chǎn)生的位移差后重新確定。

通過(guò)抵消墩頂位移確定合龍頂推力的方法較為簡(jiǎn)便，在同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)及施工中具有重要參考價(jià)值。

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(責(zé)任審編 孟慶伶)

U448.13

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．03

2015-03-25;

:2015-06-10

郭錚(1984— )，男，甘肅武山人，工程師。

1003-1995(2015)08-0010-03