連續(xù)剛構(gòu)橋四點(diǎn)合龍頂推下箱梁局部受力分析

杜 釗，趙 偉，陳家龍，劉 綱

（1.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋具有施工方便、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、抗震性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為公路、鐵路和市政橋梁中普遍采用的橋型。為減少或消除混凝土收縮徐變對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主梁線形的影響，在合龍段施工時(shí)業(yè)界多通過施加頂推力的方式予以解決［1-3］。文獻(xiàn) ［4-6］對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)果表明施加合理的頂推力可以有效控制使用過程中橋墩偏位并改善主梁受力狀態(tài)。因此，頂推技術(shù)對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍施工至關(guān)重要。 近年來，國內(nèi)外較多學(xué)者對(duì)合理頂推力計(jì)算和合龍順序進(jìn)行了深入研究，取得豐碩成果。其中，文獻(xiàn)［5］借助有限元計(jì)算77.4 k N的橫隔板集中荷載作用下槽形鋼梁局部受力情況，結(jié)果表明鋼梁局部受力滿足規(guī)范要求。但文獻(xiàn)［8-9］針對(duì)鋼箱梁頂推過程中局部受力的分析表明，在3 000 kN頂推力作用下，鋼箱梁局部應(yīng)力會(huì)超限，須采取優(yōu)化措施改善頂推過程中箱體受力。因此，在確定合理頂推力和合龍順序后，有必要分析頂推力對(duì)箱梁局部受力的影響。但目前頂推力對(duì)箱梁局部受力的影響仍不系統(tǒng)，所得規(guī)律較難滿足實(shí)際施工需求。

針對(duì)大噸位頂推力作用下箱梁局部受力可能超限的問題，以西北某特大連續(xù)剛構(gòu)橋5 000 kN大噸位頂推力為背景，對(duì)比分析傳統(tǒng)兩點(diǎn)頂推方式和所提四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部受力、變形的差異。在此基礎(chǔ)上，分析不同鋼墊板布設(shè)位置、尺寸及頂推力偏差等因素對(duì)箱梁局部受力、變形的影響規(guī)律，提出鋼墊板優(yōu)化布設(shè)方式，為連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推施工提供技術(shù)參考。

1 頂推方式設(shè)置

1.1 橋梁概況

某鐵路特大連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑布設(shè)為 （75＋2×136＋75）m，主梁采用混凝土單室箱型截面，頂板寬9 m、厚0.4 m；底板寬7 m，厚0.4 m；腹板厚0.5 m。見圖1，箱梁懸臂澆筑到合龍段后，采用先中跨合龍，后邊跨合龍順序進(jìn)行合龍施工。合龍時(shí)通過頂推施工來消除混凝土收縮徐變對(duì)主墩偏位的不利影響，設(shè)計(jì)合龍頂推力為5 000 kN。現(xiàn)有大量相關(guān)文獻(xiàn)表明［3-9］，合龍頂推力往往不超過3 000 k N，但本橋的頂推力高達(dá)5 000 k N，故有必要分析箱梁在大噸位頂推力下的局部受力狀態(tài)，進(jìn)而選取合適的頂推施工方式和工藝。

圖1 橋跨布置 （單位：cm）Figure 1 Bridge span（Unit：cm）

1.2 兩種合龍頂推方式

大量研究表明［10-12］，連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推普遍采用兩點(diǎn)加載方式，即在箱梁腹板與頂板的倒角處施加頂推力。且為防止箱梁頂推處混凝土局部應(yīng)力集中，往往預(yù)埋鋼墊板來分散頂推力，使局部受力更加均勻，如圖2（a）所示。

考慮到依托工程的頂推力高達(dá)5 000 kN，為防止兩點(diǎn)頂推方式下箱梁應(yīng)力過于集中，提出四點(diǎn)同步頂推方式，如圖2（b）所示。四點(diǎn)對(duì)稱同步頂推方式不僅可分散頂推力以減小箱梁的局部應(yīng)力，且可減少箱梁頂推截面偏心彎矩，進(jìn)一步改善頂推過程中箱梁的受力狀態(tài)。

圖2 兩點(diǎn)及四點(diǎn)頂推方式下鋼墊板設(shè)置Figure 2 Steel cushion plate layout under two-point and four-point modes

同時(shí)，為分散大噸位頂推力，增設(shè)千斤頂墊塊，如圖3所示。因此，在頂推過程中，將千斤頂?shù)闹c(diǎn)施加在墊塊上，頂推力通過千斤頂墊塊均勻傳遞給鋼墊板，墊板再將力傳導(dǎo)到混凝土箱梁上?；?“技術(shù)可行、操作方便”原則，考慮到鋼墊板大小受箱梁尺寸所限，在兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下鋼墊板的尺寸均取600 mm×300 mm×25 mm。

圖3 千斤頂墊塊設(shè)置情況Figure 3 Jack blocking layout

2 箱梁局部受力與變形分析

2.1 精細(xì)化有限元模型的建立

為準(zhǔn)確分析兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下箱梁結(jié)構(gòu)局部受力情況，采用Abaqus有限元軟件建立頂推處箱梁局部細(xì)化的實(shí)體有限元模型。對(duì)于混凝土梁段，選取與合龍段相鄰3個(gè)梁段共10 m長箱梁，箱梁尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取值，混凝土彈性模量取3.55×104MPa、泊松比取0.2，如圖4（a）所示。因主要考慮混凝土局部受力情況，建模時(shí)不考慮箱梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋。

對(duì)于鋼墊板，根據(jù)實(shí)際尺寸建立實(shí)體模型，其彈性模量取2.06×105MPa、泊松比采用0.3。頂推面共設(shè)置4塊鋼墊板，網(wǎng)格劃分后的某塊鋼墊板如圖4（b）所示。

鋼墊板與箱梁采用Tie耦合約束，綁定區(qū)域不發(fā)生相對(duì)變形。因僅考慮大噸位頂推力下箱梁局部受力和變形，故在遠(yuǎn)離合龍段的遠(yuǎn)端，將箱梁端面各節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)。考慮到已通過千斤頂墊塊分散千斤頂?shù)募辛?，故在兩點(diǎn)頂推方式下，將2 500 kN頂推力轉(zhuǎn)化為面力分別施加于2塊墊板上；在四點(diǎn)頂推方式下，將1 250 kN頂推力轉(zhuǎn)化為面力分別施加在4塊墊板上。在四點(diǎn)頂推方式下，整個(gè)實(shí)體有限元模型共有59 216個(gè)單元，95 951個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分Figure 4 Division of finite element mesh

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在兩點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力集中分布在鋼墊板周圍，頂板、底板處應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墊板周圍的腹板處；在四點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力在梁體各部分總體分布較為均勻，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處，除墊板周圍外其余各部件均呈現(xiàn)出由中間向兩側(cè)減小的趨勢。綜合兩種頂推方式下應(yīng)力分布來看，四點(diǎn)同步頂推方式可有效改善箱梁受力狀態(tài)，使局部受力更加均勻。

圖5 箱梁局部應(yīng)力云圖 （單位：MPa）Figure 5 Box beam local stress map（Unit：MPa）

在兩種頂推方式下，箱梁局部最大拉、壓應(yīng)力值如表1所示?；炷料淞壕植孔畲髩簯?yīng)力為16.45 MPa，小于現(xiàn)行鐵路橋涵混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范局部受壓容許壓應(yīng)力29.75 MPa的規(guī)定，壓應(yīng)力的強(qiáng)度儲(chǔ)備較大。應(yīng)指出的是，在兩點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力高達(dá)4.78 MPa，已超過現(xiàn)行規(guī)范中有斜筋及箍筋時(shí)主拉應(yīng)力容許值［σc-1］＝2.79 MPa的規(guī)定。故依托工程若采用兩點(diǎn)頂推方式，在頂推過程中將出現(xiàn)混凝土局部開裂現(xiàn)象，給橋梁帶來質(zhì)量隱患。而四點(diǎn)頂推方式能明顯改善箱梁的局部受力，最大拉應(yīng)力僅為1.48 MPa。因此，從受力角度出發(fā)，四點(diǎn)頂推方式更適合用于連續(xù)剛構(gòu)橋大噸位合龍頂推施工。

表1 兩種頂推方式下最大拉、壓應(yīng)力Table 1 Maximum tensile and compressive stress under two thrust modes MPa

2.3 位移計(jì)算結(jié)果分析

箱梁在頂推過程中，如合龍梁段的箱梁截面相對(duì)變形過大，會(huì)導(dǎo)致2個(gè)梁段合龍匹配精度難以控制。在2種頂推方式下，有限元計(jì)算得到頂?shù)装遑Q向變形和腹板橫橋向變形情況分別如圖6、圖7所示。

在變形規(guī)律方面，兩種頂推方式下頂板豎向均向下凹陷，底板均向上拱起。在兩點(diǎn)頂推方式下，腹板在頂推位置發(fā)生向橋外側(cè)偏移；四點(diǎn)頂推方式下腹板中間位置發(fā)生向外側(cè)橫向偏移。

圖6 箱梁局部橫向位移云圖 （單位：mm）Figure 6 Box beam local lateral displacement cloud map（Unit：mm）

圖7 箱梁局部豎向位移云圖 （單位：mm）Figure 7 Box beam local vertical displacement cloud map（Unit：mm）

2種頂推方式下箱梁最大位移出現(xiàn)的具體部位及幅值如表2所示。雖四點(diǎn)頂推方式較兩點(diǎn)頂推方式下箱梁頂、底板豎向位移更小，但在兩種頂推方式下，頂推面箱梁各部分相對(duì)變形較小且均未超過規(guī)范規(guī)定的允許值，且均未達(dá)到0.5 mm，不會(huì)對(duì)箱梁合龍匹配精度造成影響。

表2 箱梁截面相對(duì)變形情況Table 2 Relative Deformation of box girder mm

3 四點(diǎn)頂推下鋼墊板優(yōu)化

四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部受力較兩點(diǎn)頂推方式相對(duì)較小，但其最大主拉應(yīng)力在局部區(qū)域仍高達(dá)1.48 MPa，可能使混凝土開裂。而鋼墊板的位置、高度及箱梁的頂推力偏差將直接影響局部應(yīng)力的分布和大小，故對(duì)四點(diǎn)頂推方式進(jìn)行變參數(shù)分析，以優(yōu)化鋼墊板的設(shè)置及加載方式。

3.1 鋼墊板位置

因箱梁局部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處 ［圖2（b）中3＃、4＃鋼墊板附近］。在保持鋼墊板尺寸不變情況下，調(diào)整這兩塊鋼墊板離箱梁底面的距離。在不同距離下，主拉應(yīng)力的分布規(guī)律及最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)部位未發(fā)生明顯改變，故僅給出頂、底板和腹板的最大主拉應(yīng)力值，如圖8所示。

圖8 最大主拉應(yīng)力隨墊板位置變化情況Figure 8 Maximum tensile stress varies with pad position

因僅調(diào)整位于腹板下部鋼墊板的位置，故頂板的最大拉應(yīng)力基本保持不變；鋼墊板越靠上，底板、腹板的最大拉應(yīng)力有所減小，但當(dāng)距離超過40 cm（高于下游腹板倒角處）以后，底板最大應(yīng)力變化速度減緩。故在四點(diǎn)頂推時(shí)，若將3＃、4＃鋼墊板調(diào)整至底板倒角偏上位置，可適當(dāng)減小鋼墊板產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3.2 鋼墊板高度

受腹板寬度限制，鋼墊板寬度較難改變，所以鋼墊板高度對(duì)混凝土主拉應(yīng)力影響較大。將3＃、4＃鋼墊板位置設(shè)置為距底面60 cm處，調(diào)整這兩塊鋼墊板高度來考察箱梁主拉應(yīng)力變化情況，如圖9所示。

圖9 最大主拉應(yīng)力隨墊板高度變化Figure 9 Maximum tensile stress varies with pad height

從圖9可看出，3＃、4＃鋼墊板高度對(duì)主拉應(yīng)力的影響較大。腹板和頂、底板主拉應(yīng)力均隨鋼墊板高度增加而降低，這主要是因?yàn)殡S著鋼墊板高度增加，頂推力會(huì)更為均勻地施加在箱梁截面上。當(dāng)鋼墊板高度達(dá)100 cm時(shí)，頂推截面上最大主拉應(yīng)力將降為0.54 MPa，此時(shí)，箱梁混凝土不會(huì)產(chǎn)生局部裂縫。但鋼墊板尺寸太大不利于施工，因此，在施工中可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置合理的鋼墊板高度。

3.3 頂推力偏差

頂推力偏差是對(duì)箱梁截面受力較大側(cè)的鋼板施加相對(duì)較小的頂推力，受力較小側(cè)的鋼板施加較大的頂推力。由于在四點(diǎn)推頂方式下最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處 （3＃、4＃鋼墊板附近），故考慮增大1＃、2＃鋼墊板上頂推力，即1＃、2＃鋼墊板承受的頂推力多于3＃、4＃鋼墊板，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知，隨著頂推力偏差逐漸增大，箱梁底板最大拉應(yīng)力緩慢減小，頂板、腹板最大拉應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)偏差值超過70 kN時(shí)，拉應(yīng)力最大部位發(fā)生變化且應(yīng)力降低效果逐漸變差。因此，在施工過程中可適當(dāng)調(diào)整頂推力的大小，保持1＃、2＃與3＃、4＃鋼墊板處最大推力偏差為頂推力的5%左右，將降低箱梁局部拉應(yīng)力。

4 結(jié)語

圖10 最大拉應(yīng)力隨頂推力偏差的變化Figure 10 Change in maximum tensile stress with thrust deviation

頂推技術(shù)在多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍中應(yīng)用十分廣泛，但關(guān)于大噸位頂推力作用下箱梁局部受力問題的研究相對(duì)偏少。為解決大噸位合龍頂推力下箱梁局部受力問題，提出四點(diǎn)頂推方式；依托具體工程建立箱梁局部有限元模型，研究四點(diǎn)頂推方式對(duì)主梁局部受力、位移的改善效果；分析鋼墊板位置、高度和加載形式對(duì)四點(diǎn)頂推下箱梁局部受力的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：

a.雖四點(diǎn)合龍頂推的施工難度高于兩點(diǎn)合龍頂推方式，但在兩點(diǎn)頂推方式下箱梁局部最大主拉應(yīng)力為4.78 MPa，將出現(xiàn)局部開裂情況；而四點(diǎn)頂推方式下，箱梁截面應(yīng)力分布更為均勻，最大主拉應(yīng)力為1.48 MPa，可保證頂推施工中混凝土不出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，當(dāng)頂推力較大時(shí)，可選用四點(diǎn)頂推方式。

b.鋼墊板高度對(duì)箱梁局部主拉應(yīng)力大小的影響較大。因此，在實(shí)際工程中，可通過合理設(shè)置鋼墊板高度來有效減少箱梁局部應(yīng)力。

c.改變鋼墊板位置和預(yù)設(shè)頂推力偏差在一定程度上能減少箱梁局部主拉應(yīng)力。針對(duì)依托工程，宜將3＃、4＃鋼墊板調(diào)整至底板倒角偏上位置，且保持1＃、2＃鋼墊板與3＃、4＃鋼墊板最大推力偏差為頂推力的5%左右較為合適。