合龍溫差下部分斜拉橋頂推力的確定

嚴(yán)宗雪，　王凌波，　盧　旭,3，　羅金標(biāo)

(1. 廣州大廣高速公路有限公司， 廣東　廣州　510030；

2. 長安大學(xué)　舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西　西安　710064；

3. 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司， 廣東　廣州　510599)

?

合龍溫差下部分斜拉橋頂推力的確定

嚴(yán)宗雪1，王凌波2，盧旭2,3，羅金標(biāo)1

(1. 廣州大廣高速公路有限公司， 廣東廣州510030；

2. 長安大學(xué)舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西西安710064；

3. 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司， 廣東廣州510599)

摘要：在斜拉橋施工過程中，由于實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不一致而引起部分斜拉橋發(fā)生位移及溫度內(nèi)力，從而極易導(dǎo)致合龍偏差問題。為此本文以某特大橋工程為依托，建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型，以設(shè)計(jì)合龍溫度20℃為基準(zhǔn)，以實(shí)際可能的合龍時(shí)段溫度21～39℃為分析參數(shù)，提出以不同內(nèi)力值為目標(biāo)值消除溫度附加內(nèi)力的頂推力優(yōu)化分析方法。研究結(jié)果表明：曲線部分斜拉橋的主梁內(nèi)力、位移與合龍溫差呈線性增長關(guān)系；合龍溫差對曲線部分斜拉橋產(chǎn)生的扭矩及側(cè)彎值可以忽略不計(jì)；以消除塔墩梁固結(jié)處主梁位移為目標(biāo)確定合理頂推力的效果較好，其塔墩梁固結(jié)處主梁位移及墩底彎矩消除量可分別達(dá)到合龍溫差作用的98%及78%，利于控制成橋線形；實(shí)際施工中應(yīng)依照力學(xué)性能施加偏心頂推力。研究成果可為此類橋梁合龍時(shí)頂推力的施加提供參考意義。

關(guān)鍵詞：部分斜拉橋；合龍溫度；合龍溫差；頂推力

部分斜拉橋是超靜定結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間。國內(nèi)外學(xué)者對部分斜拉橋諸如部分斜拉橋的界定[1]、剛梁柔塔與柔梁剛塔橋的特性[2]、斜拉索索力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)化[3]等問題進(jìn)行了大量的研究，但在實(shí)際施工及運(yùn)營中還存在很多問題，例如曲線寬幅部分斜拉橋施工控制、混凝土寬箱主梁的空間效應(yīng)等，尤其在曲線寬幅部分斜拉橋合龍頂推力的確定[4～8]尚屬空白。雖然有學(xué)者就連續(xù)剛構(gòu)橋的高溫合龍頂推力[9,10]進(jìn)行了研究，但對于部分斜拉橋這方面的研究尚不完善。合龍是成橋運(yùn)營的關(guān)鍵一步，而合龍溫度的選擇更是重中之重[11]；但受工期及自然條件的限制，實(shí)際的合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度往往存在偏差，即合龍溫差。實(shí)際合龍溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)，由于溫差效應(yīng)，合龍段混凝土與兩端懸臂梁都會產(chǎn)生收縮，因此可能在合龍段與兩端梁體的連接處出現(xiàn)開裂，不但影響結(jié)構(gòu)的合龍內(nèi)力與線形，甚至?xí)＜敖Y(jié)構(gòu)的耐久性。為了避免因合龍溫差產(chǎn)生的影響，工程上普遍采取施加適當(dāng)頂推力的方式進(jìn)行消除。本文主要探討曲線寬幅部分斜拉橋?qū)嶋H合龍溫度較高時(shí)，以消除因其產(chǎn)生的墩頂附加水平位移、墩底彎矩、主梁拉力等為目標(biāo)，分析消除不同目標(biāo)值的頂推力施加效果及其對比分析，確定合理的頂推力及施加方式，同時(shí)給出合龍溫差對加勁主梁扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎的影響。

1工程概況

1.1工程背景

某部分斜拉橋的跨徑組成為108 m+208 m+108 m，位于半徑為R=1800 m的平曲線上，為墩、塔、梁固結(jié)體系，邊墩處設(shè)置支座，橋型布置如圖1所示。主梁采用C60三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，半幅橋?qū)?0.5 m，主梁斷面為變高度單箱雙室直腹板箱梁，兩側(cè)外懸翼緣板各寬4 m；箱梁根部梁體中心線梁高6 m，梁高按二次拋物線變化至跨中或梁端，支點(diǎn)處梁體中心線梁高3.8 m。采用鋼筋混凝土三立柱“III”型塔，四索面形式，承臺橫橋向分離。

1.2合龍方式

主橋采用懸臂澆筑施工，合龍順序?yàn)椋合群淆堖吙纾俸淆堉锌?。中跨合龍段的主要施工步驟是：(1)后移和拆除懸臂施工掛籃；(2)上合龍吊架和在懸臂端加配重水箱，合龍段兩側(cè)水箱的容水重量效應(yīng)，相當(dāng)于合龍段所澆筑混凝土重量的效應(yīng)，遠(yuǎn)端還應(yīng)增加1/2吊架模板重量；(3)施工時(shí)選擇最佳合龍溫度頂緊焊死鎖定勁性骨架；(4)及時(shí)澆筑合龍段混凝土，同時(shí)水箱同步等效應(yīng)放水，以保持懸臂段的穩(wěn)定。為分析合龍溫差的影響，本文按照橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[4]考慮均勻溫度作用的影響。

圖1　主橋橋型布置/cm

2溫度工況分析及建模

2.1溫度工況

本橋所在廣州地區(qū)年平均氣溫19.5～21.4℃，月平均最高氣溫28.5℃，最低氣溫10℃；極端最高氣溫38.1℃，極端最低氣溫-2.6℃。溫差按整體升、降溫25℃考慮；主梁頂板局部溫差考慮橋面鋪裝層的折減作用，升溫梯度[12]計(jì)算中取T1=17℃，T2=6.7℃；降溫梯度計(jì)算取T1=-8.5℃，T2=-3.35℃；索梁溫差±10℃；索塔左右側(cè)溫差±5℃；設(shè)計(jì)合龍溫度為20℃。本文依托工程實(shí)際施工工期比原工期延遲，原定的5月份完工，設(shè)計(jì)合龍溫度為20℃，現(xiàn)階段預(yù)計(jì)推遲1～2個(gè)月，將在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)可能的實(shí)際合龍溫度進(jìn)行羅列，查閱橋梁所在地區(qū)6、7月的溫度變化得知，6月日均最高氣溫31℃，日均最低氣溫25℃，歷史最高氣溫(2004年)39℃，歷史最低氣溫(1987年)19℃；7月日均最高氣溫33℃，日均最低氣溫25℃，歷史最高氣溫(2004年)39℃，歷史最低氣溫(1961年)22℃；不考慮低溫合龍的益處，根據(jù)施工進(jìn)度的實(shí)際情況，設(shè)置了溫度工況，即實(shí)際合龍溫度為21～39℃線性增長，合龍溫差由1～19℃線性增長，以此工況進(jìn)行分析。

2.2有限元模型建立

對于塔墩梁固結(jié)的部分斜拉橋來說，尤其是變截面箱梁，由合龍溫差引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力、內(nèi)力重分布及結(jié)構(gòu)位移的非線性，需要反復(fù)試算才能得到合理的頂推力。本文選用有限元計(jì)算軟件MIDAS CIVIL 2012進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間建模，采用梁單元模擬主梁及主塔，桁架單元模擬斜拉索，共建立724個(gè)單元，索梁、索塔之間連接采用剛性連接，墩底固結(jié)。合龍溫差采用系統(tǒng)溫度模擬，模型離散圖見圖2。

圖2　橋梁結(jié)構(gòu)離散圖

3合龍溫差對部分斜拉橋的影響

當(dāng)實(shí)際合龍溫度大于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)，成橋后因溫差的存在將導(dǎo)致墩頂產(chǎn)生由邊跨往中跨方向的水平位移，主梁及主塔將產(chǎn)生溫度附加內(nèi)力，當(dāng)溫度附加內(nèi)力超出設(shè)計(jì)容許范圍，將影響結(jié)構(gòu)安全[13,14]。為了消除合龍溫差的不利影響，可在合龍時(shí)通過施加頂推力進(jìn)行調(diào)整。圖3為各合龍溫差工況作用下對部分斜拉橋的位移及內(nèi)力影響，包括塔墩梁固結(jié)處主梁水平位移(DX)、中跨跨中主梁拉力(Fx)、塔墩梁固結(jié)處主梁扭矩(Mx)、塔墩梁固結(jié)處主梁彎矩(My′)、塔墩梁固結(jié)處主梁的側(cè)彎矩(Mz)、墩底彎矩(My)。

由圖3可知，該橋合龍溫差導(dǎo)致部分斜拉橋產(chǎn)生的塔墩梁固結(jié)處扭矩、塔墩梁固結(jié)處縱向彎矩及塔墩梁固結(jié)處側(cè)彎矩最大僅達(dá)到墩底彎矩變化量的1/10，宜選擇塔墩梁固結(jié)處溫差附加主梁水平位移(Dx)、跨中主梁拉力(Fx)、墩底彎矩(My)為目標(biāo)值分析應(yīng)施加的頂推力。

圖3　合龍溫差作用對部分斜拉橋的影響

4頂推力的確定

4.1消除溫差附加效應(yīng)影響的頂推力

(1)以主梁拉力為目標(biāo)值

由圖3可知，合龍溫差作用下結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力均隨著溫差的增大而線性增大。借鑒連續(xù)剛構(gòu)橋高溫合龍頂推力的計(jì)算方法[10]，對于混凝土主梁，優(yōu)先以消除主梁拉力為目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。設(shè)某合龍溫差作用下主梁拉力為F，將主梁拉力F作為頂推力，加在跨中最大懸臂端。以消除其他效應(yīng)值為目標(biāo)值時(shí)，頂推力按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：P為某溫差作用下的頂推力；F為對應(yīng)溫差作用下主梁拉力；δ為以F作為頂推力，成橋后內(nèi)力值或位移值；δ′為對應(yīng)溫差作用下內(nèi)力值或位移值。

根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，可以得出以消除不同目標(biāo)值頂推力分析結(jié)果見表1，表中計(jì)算結(jié)果以11號墩為例給出消除不同目標(biāo)值的頂推力結(jié)果。

表1　消除不同目標(biāo)值的頂推力

以消除主梁拉力為目標(biāo)值時(shí)，在合龍溫差作用下，主梁中跨拉力基本上為一常量，在跨中合龍段施加頂推力在數(shù)值上等于主梁因合龍溫差產(chǎn)生拉力時(shí)，既可消除因合龍溫差在主梁產(chǎn)生的拉力，也可基本消除因合龍溫差對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。圖4和圖5分別為施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處主梁位移、墩底彎矩。

圖4　施加頂推力后主梁位移

圖5　施加頂推力后主梁墩底彎矩

(2)以塔墩梁固結(jié)處位移為目標(biāo)值

升溫會使主梁各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生向跨中方向的偏移，在施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處主梁位移、墩底彎矩見圖6和圖7所示。

圖6　施加頂推力后主梁位移

圖7　施加頂推力后主梁墩底彎矩

(3)以墩底彎矩為目標(biāo)值

合龍溫差會導(dǎo)致墩底產(chǎn)生較大的彎矩，施加頂推力可以改善墩身受力狀況，在施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處主梁位移及墩底彎矩分別見圖8和圖9。

圖8　施加頂推力后主梁位移

圖9　施加頂推力后主梁墩底彎矩

4.2計(jì)算結(jié)果對比

(1)主梁內(nèi)力值、位移值均隨著合龍溫差的增大而線性增大，故以內(nèi)力值、位移值為目標(biāo)值進(jìn)行頂推力計(jì)算，其結(jié)果也呈現(xiàn)線性增長關(guān)系。

(2)合龍溫差作用下，曲線寬幅斜拉橋的扭矩(Mx)、側(cè)彎矩(Mz)值很小，且在頂推力作用下能有效地消除。

(3)由頂推力計(jì)算結(jié)果可知，以墩底彎矩為目標(biāo)值時(shí)結(jié)果最大，雖然消除了合龍作用下的墩底彎矩，但施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處位移、側(cè)彎矩分別超出合龍溫差作用下效應(yīng)值的30%、28%，頂推效果較差；以塔墩梁固結(jié)處主梁位移為目標(biāo)值時(shí)計(jì)算結(jié)果最小，施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處位移、墩底彎矩為合龍溫差作用的0.98、0.80；以主梁拉力為目標(biāo)值時(shí)結(jié)果稍大，施加頂推力后塔墩梁固結(jié)處位移超出合龍溫差作用下的12.2%，而施加頂推力后的墩底彎矩值為合龍溫差作用下的84.6%，墩底截面剛度大，且主梁線形在施工及后期運(yùn)營過程中起著極其重要的作用。

5結(jié)論

針對施工過程中實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不一致而引起的部分斜拉橋發(fā)生位移及溫度內(nèi)力而導(dǎo)致合龍偏差問題，以某特大橋工程為依托，建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型，以設(shè)計(jì)合龍溫度20℃為基準(zhǔn)，實(shí)際可能的合龍時(shí)段溫度21～39℃為分析參數(shù)，提出以不同內(nèi)力值為目標(biāo)值消除溫度附加內(nèi)力的頂推力優(yōu)化分析方法。

(1)曲線部分斜拉橋在合龍溫差作用下的扭矩、側(cè)彎矩很小，可以忽略不計(jì)。

(2)曲線寬幅部分斜拉橋因合龍溫差作用施加的頂推力，以消除塔墩梁固結(jié)處主梁位移為目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算頂推效果最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]藺鵬臻, 劉鳳奎, 周世軍, 等. 部分斜拉橋的力學(xué)性能及其界定[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2007, 29(2): 136-140.

[2]陳從春. 矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)理論核心問題研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2006.

[3]肖汝誠, 項(xiàng)海帆. 斜拉橋索力優(yōu)化的影響矩陣法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1998, (3): 235-240.

[4]魏明亮. 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋合龍順序及頂推力研究[D].西安：長安大學(xué), 2013.

[5]姚國文, 宋文鋒, 周志祥. 多跨連續(xù)剛構(gòu)橋水平頂推力與合龍順序優(yōu)化[J]. 公路與汽運(yùn), 2008, (1): 91-93.

[6]胡清和, 鄧江明, 周水興, 等. 多跨連續(xù)剛構(gòu)橋頂推合龍方案研究[J]. 中外公路, 2009, 29(3): 109-114.

[7]欒坤鵬, 張雪松, 高洪如. 連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力優(yōu)化計(jì)算方法[J]. 魯東大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 27(1): 92-96.

[8]李杰, 陳彬. 連續(xù)剛構(gòu)橋頂推力計(jì)算與優(yōu)化分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2013, 34(6): 85-89.

[9]張成志, 史文勝. 剛構(gòu)連續(xù)梁高溫合龍?zhí)幚泶胧┡c體會[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2006, (7): 46-48.

[10]魏建斌, 魏家樂, 馬玲. 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋頂推合龍控制技術(shù)研究[J]. 世界橋梁, 2014, 42(4): 39-43.

[11]周光偉, 陳得良, 劉榕. 連續(xù)剛構(gòu)橋合攏溫度的合理確定及高溫合攏對策[J]. 長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 22(3): 15-19.

[12]JTG D60-2004, 公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[13]劉昌國, 殷燦彬. 連續(xù)剛構(gòu)橋高溫合攏頂推力的分析與試驗(yàn)研究[J]. 公路工程, 2009, 34(5): 83-86.

Determination of Jacking-force of Extradosed Bridge Considering Final Closure Temperature Differences

YANZong-xue1,WANGLin-bo2,LUXu2,3,LUOJin-biao1

(1.Guangzhou Daguang Expressway Co Ltd, Guangzhou 510030, China;2. Key Laboratory of Bridge Detection Reinforcement Technology Ministry of Communications,Chang’an University, Xi’an 710064, China;3. Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co Ltd, Guangzhou 510599, China)

Abstract:During extradosed bridge construction, the differences between actual closure temperature and design closure temperature may cause vertical displacement and internal forces, which will further cause final closure deviation problem. Structure finite element analysis mode was established based on an extradosed bridge. Based on design temperature 20℃, this paper set actual possible closure temperature 21℃～39℃ as analysis parameter, a closure jacking-force optimization analysis method was proposed, use different internal force value as target to eliminate temperature additional internal forces. The results showed four conclusions. Firstly, internal force and displacement of girder in addition of closure temperature differences were linear growth relations of extradosed bridge. Secondly, the influences from closure temperature difference on torque and lateral bending of curve extradosed bridge may be ignored. Thirdly, determine closure jacking-force by eliminate the beam displacement in consolidation may get the best effect, the elimination of beam displacement and pier bending moment may separately achieve 98% and 78% after jacking force applied, and which is good for bridge linear control. Finally, eccentric jacking force should be applied based on mechanical properties in actual construction. Research results can be used to guide similar bridge closure jacking force.

Key words：extradosed bridge; final closure temperature; final closure temperature differences; jacking-force

中圖分類號：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)02-0051-05

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金(2015M572512); 廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2014-02-017)

作者簡介：嚴(yán)宗雪(1976-)，男，四川資陽人，高級工程師，博士，研究方向?yàn)闃蛄汗こ?Email: yanzongxue_gz@163.com)

收稿日期：2015-10-18修回日期： 2015-12-04