長聯(lián)多跨低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋合龍順序研究

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(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

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長聯(lián)多跨低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋合龍順序研究

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(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

以晉蒙黃河大橋工程為背景，討論了不同合龍順序?qū)﹂L聯(lián)大跨低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋的受力影響，并針對該類橋梁提出了科學合理的合龍順序確定原則。按照該原則確定合龍順序可使主梁在運營狀態(tài)下受力更為均勻合理，對類似橋梁合龍順序的確定具有一定的參考價值。

剛構(gòu)連續(xù)梁組合梁橋；懸臂施工；合龍順序；施工過程分析

0 引言

剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋綜合了剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋各自的優(yōu)點[1]，如橋面連續(xù)、充分發(fā)揮了橋墩的作用、減少大噸位支座的數(shù)量等，在大跨徑橋梁中具有很強競爭力。懸臂施工過程中，合龍束的張拉會對相鄰跨的應(yīng)力產(chǎn)生影響， 采用不同的合龍順序施工將得到不同的成橋內(nèi)力狀態(tài)[2]。雖然目前已有文獻對連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)以及剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋的合龍順序作了一定研究[2-5]，但都是針對具體的工程通過對不同合龍順序進行對比，給出適合該工程的最優(yōu)合龍順序，并沒有給出最優(yōu)合龍順序的確定原則。且文獻中的剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋的橋墩均較高,固結(jié)墩對主梁的約束剛度較小,各跨豎向剛度相差并不大, 不同的合龍順序?qū)χ髁旱膬?nèi)力影響并不大，所謂最優(yōu)的合龍順序可能只是最節(jié)約施工時間的順序[2]。

對于長聯(lián)多跨低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋，由于低墩的轉(zhuǎn)動剛度大，加強了對梁的約束，使得各跨豎向剛度差異加大,合龍順序的不同會對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移產(chǎn)生較大影響,合龍順序的選擇會上升至同鋼束型號選擇、合龍頂推力、壓重等相同的地位，成為工程師手中調(diào)整主梁內(nèi)力狀態(tài)的有效手段之一。

1 工程概況

晉蒙黃河大橋是連接山西河曲和內(nèi)蒙鄂爾多斯的一座特大型橋梁，其中主橋全長1 393.2 m，分幅布置，跨徑設(shè)置為82.3+152×4+82.3(第一聯(lián))+82.3+152×3+82.3(第二聯(lián))，剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系。主梁為單箱單室變高截面，根部梁高9.5 m，高跨比為9.5/152=1/16，跨中梁高3.4 m，高跨比為3.4/152=1/44.7，梁高呈1.7次拋物線變化；頂板寬15.55 m，厚0.32 m，在根部加強為0.5 m；底板寬8 m，厚度0.32～0.9 m，呈1.7次變化，在根部加強為1.2 m；腹板分為0.5 m 和0.7 m兩種，在根部加強為1.05 m，主梁截面見圖1。橋墩均采用空心薄壁墩，各墩的橫斷面見圖2，第一聯(lián)的墩高以及墩梁相互關(guān)系見圖3。為方便下文描述，約定兩端均為固結(jié)的梁跨為剛構(gòu)跨；一端固結(jié)，一端為支座的梁跨為剛構(gòu)-連續(xù)跨；兩端均為支座的梁跨為連續(xù)跨。

2 模型計算

2.1 模型建立

圖1 主梁橫斷面(單位:cm)

圖2 橋墩橫斷面(單位:cm)

圖3 墩梁關(guān)系示意圖(單位:cm)

為了研究合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，依照圖紙中各構(gòu)件的實際尺寸，利用《MIDAS Civil 2012》有限元軟件建立晉蒙黃河大橋第一聯(lián)的整體有限元模型，見圖4。在該模型中，橋墩和主梁均采用梁單元模擬，全橋梁單元共計 316個，其中主梁226個，材料為C55，橋墩90個，材料為C50。墩梁固結(jié)通過剛臂來模擬，墩梁間的支座采用彈性連接來模擬，墩底均按照固結(jié)來處理。

2.2 荷載取值

自重：按照材料容重的1.04倍來考慮。

二期：欄桿+調(diào)平層+瀝青鋪裝層=2×0.5×26+14.75×(0.1×26+0.1×24)=99.75 (kN/m)。

施工過程中的掛籃、機具、人員等 (120 t/套)。

收縮徐變：收縮徐變系數(shù)按規(guī)范(JTG D62—2004)取值，墩以及主梁各節(jié)段的激活齡期均為7 d。

預(yù)應(yīng)力：鋼絞線材料為strand1860，松弛系數(shù)0.3，管道摩擦系數(shù)0.2，局部偏差系數(shù)0.001 5 (1/m)，錨具變形，鋼筋回縮、接縫壓縮量為6 mm(一端)。

整體升降溫：合龍溫度10～15 ℃，整體升溫25 ℃，整體降溫-40 ℃。

溫度梯度：正負溫差T1=14 ℃，T2=5.5 ℃；負溫差T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃。

風荷載：運營風取橋面處風速25 m/s；極限風取基本風速32.7 m/s。

不均勻沉降：主墩墩底沉降值取20 mm，分聯(lián)墩及分界墩墩底沉降值取10 mm。

活載：按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)取值，其中：車道數(shù)為4，橫向折減系數(shù)0.67，偏載系數(shù)取1.15，沖擊效應(yīng)系數(shù)取1.05。

圖4 晉蒙黃河大橋第一聯(lián)整體有限元模型

2.3 各跨剛度差異

主梁在活載作用下的撓度和應(yīng)力見圖5、圖6。在活載作用下，剛構(gòu)跨跨中的最大撓度為-48.1 mm，跨中底板最大拉力應(yīng)力為3.4 MPa；而連續(xù)跨的最大撓度為-67.8 mm，跨中底板最大拉力應(yīng)力為4.6 MPa。連續(xù)跨撓度是剛構(gòu)跨的1.41倍，底板應(yīng)力是剛構(gòu)跨的1.35倍，說明該橋的固結(jié)墩較低，對主梁提供了較大的轉(zhuǎn)動約束剛度。

圖5 活載作用下主梁最大豎向撓度

圖6 活載作用下主梁下緣最大拉應(yīng)力

2.4 傳統(tǒng)合龍順序

大跨度剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系一般采用懸臂法施工[6-8]，本橋的具體施工順序為：①橋墩就位→②0號塊施工→③待0號塊齡期達到7 d時張拉0號塊鋼束并設(shè)置臨時轉(zhuǎn)動約束→④安裝掛籃，澆筑1號塊混凝土→⑤待1號塊齡期達到7 d時張拉1號塊鋼束，移動掛籃至下一節(jié)段→⑥澆筑2號塊混凝土→⑦待2號塊齡期達到7 d時張拉2號塊鋼束，移動掛籃至下一節(jié)段→⑧重復(fù)步驟⑥～⑦至最大懸臂→⑨按照一定順序合龍各跨→⑩施加二期，以及10 a收縮徐變。需要說明的是，在合龍過程中掛籃作為有益壓重暫不拆除，待一聯(lián)全部合龍后方可拆除；臨時轉(zhuǎn)動約束的拆除原則：如果拆除某墩的臨時約束不會導致結(jié)構(gòu)變成機構(gòu)，則盡早拆除。

傳統(tǒng)的合龍順序一般為：先合龍邊跨，再向內(nèi)側(cè)逐步合龍，如圖7。在這樣的合龍順序下，全橋合龍并拆除掛籃后，主梁下緣應(yīng)力見圖8，短期組合主梁下緣應(yīng)力見圖9，由圖可見，剛構(gòu)跨主梁底板的壓應(yīng)力水平是最高的，而連續(xù)跨底板的壓應(yīng)力水平卻較低，這明顯不符合各跨底板壓應(yīng)力儲備需求的特點：活載作用下，剛構(gòu)跨底板拉應(yīng)力最低，需要的壓應(yīng)力儲備也最低；而連續(xù)跨底板拉應(yīng)力最高，需要的壓應(yīng)力儲備也最高。

圖7 傳統(tǒng)合龍順序示意圖

2.5 合龍順序的優(yōu)化

對于長聯(lián)多跨的橋梁，某跨底板束張拉時，其二次效應(yīng)會使相鄰跨的底板產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，利用這個特點，我們可以先合龍對底板壓應(yīng)力儲備需求小的梁跨，后合龍需求大的梁跨，這樣后合龍跨的底板壓應(yīng)力儲備就會大于先合龍跨，從而使得在運營狀態(tài)下各跨的底板應(yīng)力達到較為均勻的水平。遵循這樣的原則，在預(yù)應(yīng)力底板束型號不變的條件下，對晉蒙黃河大橋合龍順序進行優(yōu)化：先合龍剛度大的剛構(gòu)跨，最后合龍剛度小的連續(xù)跨，優(yōu)化后的具體順序見圖10。全橋合龍并拆除掛籃后，主梁底板應(yīng)力見圖11，短期組合主梁下緣應(yīng)力見圖12。與圖8對比可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化合龍順序后，剛構(gòu)跨底板壓應(yīng)力小了，而連續(xù)跨底板壓應(yīng)力變大了。

圖8 (傳統(tǒng)順序)合龍后主梁下緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 (傳統(tǒng)順序)短期組合主梁下緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 優(yōu)化后的合龍順序示意圖

圖11 (優(yōu)化順序)合龍后主梁下緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖12 (優(yōu)化順序)短期組合主梁下緣應(yīng)力(單位：MPa)

2.6 不同合龍順序?qū)Ρ?/p>

將不同合龍順序下，主梁下緣的最小壓應(yīng)力列于表1，其中，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)第6.3.1-2條，短期組合下預(yù)應(yīng)力效應(yīng)打8折?？梢钥吹絻?yōu)化合龍順序后，對壓應(yīng)力儲備要求高的第四跨主梁底緣應(yīng)力在成橋狀態(tài)由原來的8.37 MPa增長為8.81 MPa，在短期組合下由原來的僅0.55 MPa增長為0.76 MPa；對壓應(yīng)力儲備要求最低的第二跨在成橋狀態(tài)由原來的9.34 MPa降為8.34 MPa，在短期組合下由原來的1.78 MPa降為了0.91 MPa。

可見，如果本橋按照傳統(tǒng)的合龍順序合龍，則連續(xù)跨跨中底緣的應(yīng)力稍顯不足，而相比之下，剛構(gòu)跨跨中底緣的應(yīng)力儲備是較大的。而經(jīng)過合龍順序的優(yōu)化后，主梁內(nèi)力發(fā)生了一定的重新分布，整個主梁的底緣應(yīng)力均達到了較好的水平，而且也更為均勻一致。

表1 不同合龍順序下跨中底緣壓應(yīng)力 MPa

3 結(jié)論

(1)剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系各跨豎向剛度差異較大，在相同的荷載作用下，各跨的應(yīng)力響應(yīng)各不相同，為了使運營狀態(tài)下主梁各跨應(yīng)力均勻，避免某些梁跨底板出現(xiàn)壓應(yīng)力不足的問題，可以通過優(yōu)化合龍順序來調(diào)節(jié)。對于長聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋，較為合理的合攏順序應(yīng)該是：先合龍剛構(gòu)跨，再合龍剛構(gòu)-連續(xù)跨，最后合龍邊跨和連續(xù)跨，也即，先合龍大剛度跨，后合龍小剛度跨。

(2)此外，也可采取差異化配束的方式予以調(diào)節(jié)。即，在各跨底板束大樣相同的情況下，對不同的梁跨，采用不同的鋼束型號：大剛度跨用小型號鋼束，小剛度跨用大型號鋼束。

(3)必要時，可同時綜合采用以上兩種措施，以期達到更好的效果。

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Study on Closure Sequence of Long Unite and Large Span Rigid-Frame and Continuous Beam Combination Bridge with Low Pier

Li Baojun

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Based on Jinmeng Yellow River Bridge, the influence of different closure sequences on final inner force status of long unite and large span rigid-frame and continuous beam combination bridge is discussed. The principle of determining the rational closure sequence is proposed for such kind of bridge. With the rational closure sequence determined by this principle, the stress states of the main girder can be more reasonable. This principle has reference value for the similar structure.

rigid-frame and continuous beam combination bridge; cantilever construction; closure sequence; analysis of construction process

2015-05-06 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.06

李?？?1986-),男,碩士研究生,工程師，主要從事橋梁設(shè)計的工作。E-mail:552399049@qq.com

U213 2+32

A

2095-0373(2016)02-0028-05

李?？?長聯(lián)多跨低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁組合梁橋合龍順序研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(2):28-32.