不同合龍順序下大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋力學行為

(湖南省高速公路集團有限公司 株洲管理處, 湖南 株洲 412000)

連續(xù)剛構(gòu)橋由于墩梁固結(jié)，跨越能力更大，在我國橋梁建設(shè)中具有重要地位。目前，連續(xù)剛構(gòu)橋合龍施工大多數(shù)是先邊跨后中跨依次合龍，期間主梁結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，其力學行為也會發(fā)生變化，本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，探究不同合龍順序?qū)χ髁航孛鎽熬€形的影響規(guī)律。

1 工程概況

本文以G72泉南高速上某4跨連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，橋跨布置為(80+150+150+80)m，設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，邊中跨比0.533，主梁截面形式為單箱單室混凝土箱梁，墩頂位置梁高9 m，跨中截面梁高3.5 m，梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂板寬12.125 m，底板寬6.5 m，翼緣板懸挑2.812 5 m，混凝土材料標號C55，橋墩采用C40混凝土。全橋共分為17個對稱懸澆段，其中0號塊長14 m，1～17號節(jié)段長度為7×3.5 m+5×4.0 m+5×4.5 m，邊跨及中跨合龍段為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長度3.76 m，結(jié)構(gòu)形式為全預應力結(jié)構(gòu)，設(shè)有三向預應力體系。設(shè)計洪水頻率為100a一遇。橋型布置圖及截面布置圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖(單位： cm)

圖2 截面布置示意圖(單位： cm)

2 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場施工方案，采用Midas Civil建立該橋有限元模型，主梁及橋墩均采用梁單元模擬，梁與墩頂之間建立彈性連接，模擬其共同受力，橋墩底部使用固結(jié)約束，不考慮樁土作用的影響，使用軟件中自帶的激活、鈍化功能模擬其施工階段，為簡化計算，二期恒載以等效荷載的形式考慮，有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型示意圖

考慮先邊跨后中跨依次合龍及邊中跨同時合龍2種工況，分別對其進行有限元模擬，分析不同合龍工況下橋梁力學響應特征。

3 不同合龍順序?qū)χ髁菏芰Φ挠绊?/h2>

3.1 不同合龍順序?qū)χ髁簯Φ挠绊?/h3>

在不同合龍順序的方案中，主梁所受到的最大應力都不允許超過規(guī)范所規(guī)定的容許應力?，F(xiàn)將不同合龍順序成橋工況及混凝土10 a收縮徐變工況下主梁上、下緣所出現(xiàn)的應力進行對比分析，結(jié)果如表1所示(“+” 為拉應力，“-”為壓應力，下同)。

計算結(jié)果表明：成橋及10 a收縮徐變工況下，主梁上、下緣應力變化趨勢相同，應力相差很小。以成橋工況為例，其截面上、下緣在不同合龍順序下應力最大變化量分別為-0.31、0.29 MPa，變化幅度僅為2.28%和4.51%，在實際工程中可以忽略不計。因此可認為不同合龍順序?qū)χ髁航孛鎽τ绊戄^小，可不予考慮。

表1 不同合龍順序?qū)χ髁航孛鎽τ绊慚Pa位置成橋工況10 a收縮徐變工況邊中跨依次合龍同時合龍邊中跨依次合龍同時合龍上緣下緣上緣下緣上緣下緣上緣下緣左支點-1.38-3.44-1.39-3.45-1.37-3.51-1.38-3.51左邊跨1/4處-9.50-5.63-9.44-5.83-8.99-5.78-9.02-5.88左邊跨跨中-11.76-7.86-11.66-8.06-10.92-8.35-10.91-8.49左邊跨3/4處-11.55-7.07-11.55-7.21-10.71-7.69-10.70-7.818#墩墩頂-8.83-8.67-8.91-8.63-8.11-9.34-8.22-9.34左中跨1/4處-12.39-6.71-12.71-6.43-11.24-7.35-11.56-7.19左中跨跨中-7.30-8.96-7.28-8.90-6.54-8.85-6.47-8.86左中跨3/4處-13.55-6.43-13.44-6.56-12.08-7.30-12.09-7.419#墩墩頂-8.85-8.63-8.80-8.73-7.87-9.51-7.89-9.59右中跨1/4處-12.39-6.73-12.39-6.85-10.92-7.67-11.02-7.78右中跨跨中-7.30-8.99-7.29-8.92-6.49-8.90-6.42-8.91右中跨3/4處-13.55-6.43-13.86-6.14-12.30-7.05-12.52-6.8810#墩墩頂-8.85-8.64-8.93-8.63-8.09-9.33-8.19-9.33右邊跨1/4處-10.92-6.66-10.82-6.87-10.02-7.29-10.03-7.45右邊跨跨中-10.71-8.39-10.50-8.67-9.82-8.88-9.80-9.06右邊跨3/4處-7.71-5.80-7.59-6.07-7.30-5.91-7.28-6.06右支點-1.38-3.43-1.38-3.44-1.36-3.50-1.37-3.50

3.2 不同合龍順序?qū)χ髁壕€形的影響

選取主橋縱向關(guān)鍵截面，提取成橋工況與10 a收縮徐變工況下主梁最大豎向變形結(jié)果。具體結(jié)果如表2所示。

對比分析結(jié)果表明：不同合龍順序?qū)χ髁贺Q向變形有較大影響。對于成橋工況，先邊跨后中跨依次合龍時主梁最大豎向變形為-35.96 mm，邊中跨同時合龍時主梁最大豎向變形為-60.35 mm，發(fā)生位置均為右邊跨3/4處，主梁撓度有大幅增長，增幅達67.8%；對于10 a收縮徐變工況，先邊跨后中跨依次合龍時主梁最大豎向變形為-42.31 mm，邊中跨同時合龍時主梁最大豎向變形為-66.68 mm，發(fā)生位置均為右邊跨3/4處，增幅達57.6%，邊中跨同時合龍會造成主梁下?lián)献兇?，若采用該方法進行合龍，應在合龍前調(diào)整立模標高，以保證線形平穩(wěn)流暢。

表2 不同合龍順序?qū)χ髁壕€形影響mm位置成橋工況10 a收縮徐變工況邊中跨依次合龍同時合龍邊中跨依次合龍同時合龍左支點0.000.000.000.00左邊跨1/4處-33.77-52.62-29.04-37.84左邊跨跨中-9.57-20.62-35.02-40.09左邊跨3/4處-12.55-17.88-24.62-30.068#墩墩頂-16.47-16.28-11.20-19.27左中跨1/4處-11.34-1.58-23.92-24.66左中跨跨中4.831.75-29.27-33.23左中跨3/4處-15.46-15.66-21.36-32.519#墩墩頂-26.55-26.27-10.61-13.64右中跨1/4處-16.59-16.79-23.15-36.92右中跨跨中5.362.08-30.51-44.46右中跨3/4處-10.383.54-26.34-38.5710#墩墩頂-19.31-19.08-16.67-21.63右邊跨1/4處-15.27-22.22-39.65-46.74右邊跨跨中-12.27-26.61-33.62-37.98右邊跨3/4處-35.96-60.35-42.31-66.68右支點0.000.000.000.00

3.3 不同合龍順序?qū)Χ枕攺澗氐挠绊?/h3>

連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂區(qū)域由于構(gòu)造復雜，預應力筋數(shù)量多，該區(qū)域受力應引起高度重視，現(xiàn)以該橋墩頂彎矩為考察指標，對比分析2種合龍工況對墩頂彎矩的影響，具體結(jié)果如表3所示。

表3 不同合龍順序?qū)Χ枕攺澗氐挠绊?kN·m)位置成橋工況10 a收縮徐變工況邊中跨依次合龍同時合龍邊中跨依次合龍同時合龍8#墩墩頂-31 225.16-39 684.34-47 639.24-49 144.669#墩墩頂-63 259.54-78 289.52-91 513.09-92 499.0510#墩墩頂-32 162.81-41 098.57-49 069.79-50 931.66

選取該橋8#～10#墩墩頂截面作為對比分析截面，對比2種合龍順序截面最大彎矩值，計算結(jié)果表明：對于成橋工況，兩者彎矩值有一定區(qū)別，邊中跨同時合龍時8#～10#墩墩頂截面彎矩比依次合龍時彎矩大23%～27%；對于10 a收縮徐變工況，兩者彎矩值相差不大，彎矩差均在4%以內(nèi)。原因是橋梁在合龍時會經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換的過程，邊中跨同時合龍時，T構(gòu)主梁直接從靜定結(jié)構(gòu)到成橋狀態(tài)，截面內(nèi)力重分布未完全完成，合龍段自重引起的結(jié)構(gòu)變形無法“釋放”，而邊中跨依次合龍時，合龍段對結(jié)構(gòu)的影響為依次疊加的過程，在該過程中有部分彎曲應變能量以變形的形式釋放，從而導致成橋狀態(tài)下依次合龍的彎矩較同時合龍的?。粚τ?0 a收縮徐變工況，由于橋梁運營時間較長，同時合龍累積的彎曲應變能通過橋墩變形或橋臺處自由伸長釋放，在外荷載不變的情況下，兩者結(jié)果相差不大。

4 結(jié)論

以某連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，建立該橋有限元模型，對比分析邊中跨依次合龍和同時合龍2種合龍順序?qū)χ髁撼蓸蚬r和10 a收縮徐變主梁應力、線形和墩頂截面彎矩的影響，可得到以下結(jié)論：

1) 2種合龍順序?qū)χ髁撼蓸蚣?0 a收縮徐變工況主梁應力影響有限，主梁上、下緣應力差均較小，在實際工程中可忽略不計。

2) 2種合龍順序?qū)χ髁壕€形影響較大，邊中跨同時合龍時主梁在成橋及10 a收縮徐變工況下最大豎向變形分別增大67.8%和57.6%，如改變原設(shè)計合龍施工方案時，應在懸澆施工過程中調(diào)整箱梁預拱度值和相應的立模標高，保證線形的平穩(wěn)流暢。

3) 2種合龍順序?qū)蚨斩枕斀孛鎻澗赜幸欢ㄓ绊?，成橋工況下邊中跨同時合龍時墩頂截面彎矩比依次合龍時的大23%～27%，10 a收縮徐變工況兩者差距不大。