預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁合龍頂推施工控制技術(shù)研究

蔡夢賢,詹俊垚

（江西交通投資集團有限責(zé)任公司景德鎮(zhèn)管理中心婺源養(yǎng)護所,江西 婺源 333200）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁因其優(yōu)異的受力特性和成熟的工藝技術(shù)，業(yè)已成為當(dāng)代高速公路路橋應(yīng)用越來越多的橋型之一。但也必須看到，該橋型存在不足。比如懸臂施工中成建段線型在后續(xù)施工中難以調(diào)整；由于混凝土收縮徐變和整體降溫等原因，成橋后邊跨墩頂會發(fā)生向跨中方向的偏移，導(dǎo)致墩身發(fā)生較大彎矩，主梁產(chǎn)生較大附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)；合龍頂推施工控制要求高，一旦控制不當(dāng)，工程線型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)狀態(tài)會面臨質(zhì)量風(fēng)險，甚至導(dǎo)致嚴重施工事故。案例工程細致設(shè)計和執(zhí)行連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍頂推工藝，這里結(jié)合工程應(yīng)用，梳理介紹所應(yīng)用的合龍頂推工藝、主要頂推控制項的確定原則、合龍施工的頂推力計算過程及結(jié)果，希望對同類橋梁合龍頂推控制應(yīng)用能夠提供技術(shù)參考。

1 案例簡介

華中某高速公路上的一座連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土路橋，主橋?qū)?8.50 m，雙向四車道，城市A 級載荷，設(shè)計速度40.00 km/h，主橋上部采?。?7+103+50）m 的3 跨雙薄壁剛構(gòu)箱體體梁結(jié)構(gòu)。箱體頂板厚度為0.28 m，寬度為13.75 m，邊緣雙向設(shè)置2.00%的橫坡；底板寬度為13.50 m，橫橋向保持水平，厚度按照2 次拋物線由跨中0.30 m 變化至距離主墩中心3.75 m 位置的0.80 m。箱梁根部的梁高為6.50 m，跨中梁高為2.50 m，整個箱梁高也呈2 次拋物線規(guī)律變化。腹板厚度按照折線變化，0#塊為0.90 m，9~15#塊0.45 m，邊跨的現(xiàn)澆段0.76 m，其中0~9#塊區(qū)域內(nèi)由0.90 m 按直線漸變至0.45 m，15#塊~邊跨的合龍段區(qū)域內(nèi)，由0.45 m按直線逐變至0.76 m。

主墩P9 采取群樁基礎(chǔ)，由17 根徑值1.50 m 的鉆孔注灌樁構(gòu)成。邊墩墩頂分別連接引橋和主橋，采用牛腿式結(jié)構(gòu)；墩底接連承臺并下接灌注樁基礎(chǔ)。邊墩基礎(chǔ)均由直徑為1.20 m 的群樁構(gòu)成。主橋箱梁由垂向、橫向和縱向預(yù)應(yīng)力鋼束構(gòu)成三向預(yù)應(yīng)力體系。其中縱向預(yù)應(yīng)力鋼束分別包括中跨合龍束、邊跨合龍束、腹板預(yù)應(yīng)力束、中跨底板預(yù)應(yīng)力束、邊跨底板預(yù)應(yīng)力束和頂板預(yù)應(yīng)力束。預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橋面板的橫向預(yù)應(yīng)力采取扁錨BM15-3 體系，采取交替單端張拉方式，張拉應(yīng)力按0.72fpk=1 339 MPa 控制。橫梁預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力采取精軋JL25 螺紋鋼筋，Ep=200 000 MPa，fpk=785 MPa，控制張拉應(yīng)力設(shè)計為0.85fpk，單根的張拉力設(shè)計為327.60 kN。主墩主要施工操作階段如表1 所示[1]：

表1 主墩主要施工操作階段

2 連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍頂推工藝

2.1 頂推操作工藝

為達到預(yù)期頂推功效，操作過程一定要加強頂推機構(gòu)、頂推力大小和頂推時機3 個因素控制。一般多采取千斤頂進行頂推力的施加，施工過程中因為規(guī)格或行程制約，千斤頂難于直接作用于梁構(gòu)，此時須適當(dāng)配置傳力機構(gòu)；頂推操作時要綜合參考環(huán)境溫度、箱梁所受載荷等因素；頂推力適當(dāng)是保證墩頂偏移量符合設(shè)計標準的必要條件。完成頂推作業(yè)后，臨時鎖定骨架要及時給予固定，合龍段澆注操作完畢并且達到規(guī)定強度后方可拆卸臨時鎖定骨架，此時頂推轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)向應(yīng)力。頂推機構(gòu)的配備位置分為兩類：第1 類為腹板內(nèi)，一般千斤頂配置在合龍口內(nèi)進行施力；第2 類為傳力桿構(gòu)件位置，一般預(yù)設(shè)在合龍口一側(cè)的懸臂上，千斤頂配置于主梁底板或頂板上施力。

傳力桿配置在不同位置所需克服的問題各有不同。若傳力桿處于合龍口內(nèi)，頂推力可直接作用于截面形心，便于進行千斤頂操作。但是該位置可能與預(yù)應(yīng)力管道互相干擾，影響澆筑速度。若傳力桿置于體外，則施工工序簡單，且無需預(yù)埋桿件。但主梁骨架與傳力桿的連接焊縫可能產(chǎn)生偏心，導(dǎo)致受力不均。

選擇頂推時機也相當(dāng)關(guān)鍵，需要結(jié)合環(huán)境溫度、梁段承受的載荷狀態(tài)進行選擇。應(yīng)選擇最低梁體溫度的頂推時機，這樣可以防止合龍后因為降溫抵消部分頂推位移。頂推操作前，要完成合龍段鋼筋、模板的綁扎操作，以縮短澆筑操作時間。頂推力是否適當(dāng)也是保障如期完成頂推作業(yè)的重要技術(shù)項。太小的頂推力，則改善結(jié)構(gòu)的受力效果不明顯；太大的頂推力，則會使橋墩發(fā)生過量偏移甚至開裂。需要綜合考慮橋墩的剛度和墩頂支座的摩擦力，來確定適當(dāng)?shù)捻斖屏2]。

2.2 合龍段剛性骨架

剛性骨架配置形式可分為體內(nèi)配置和體外配置2類。剛性骨架配置在梁體以內(nèi)時，應(yīng)預(yù)設(shè)并與梁內(nèi)主筋焊接牢固。因為主梁腹板存在厚度限制，所以剛性骨架截面規(guī)格要符合適應(yīng)性要求。要保證預(yù)設(shè)位置與垂向預(yù)應(yīng)力管道不存在互相妨礙影響，避免上下桿構(gòu)件或斜桿配置不方便，不當(dāng)配置會導(dǎo)致剪切力傳導(dǎo)能力的削弱，也不利于結(jié)構(gòu)整體性能的實現(xiàn)。而當(dāng)剛性骨架配置在梁體外側(cè)時，可以通過預(yù)埋鋼板實現(xiàn)與梁體底板和頂板的連接。體外剛性骨架能夠規(guī)避體內(nèi)骨架所存在的工作截面和預(yù)應(yīng)力管道配置受限等問題。但體外配置不利于頂推力直接作用于頂推截面形心，為改善和保證骨架的傳力性能，體外骨架可在架桿件之間適當(dāng)配置水平向或豎向支撐架。

3 主要頂推控制項的確定原則

3.1 選取頂推控制參數(shù)

理論上，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化與結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)該是同步的。然而在進行頂推操作過程中，由于材料和相關(guān)影響因素的影響，應(yīng)力應(yīng)變很難始終保持與理論計算結(jié)果一致。頂推施工階段，主要依據(jù)形變控制指標，如懸臂梁端和橋墩頂面的水平位移，來控制頂推過程，同時以力學(xué)指標，例如施加的頂推力，進行校核控制。

3.2 頂推移動量的確定原則

頂推移動量主要由3 部分位移量構(gòu)成，即成橋變形、溫度影響形變和混凝土收縮徐變的形變值。在確定實際頂推移動量時，還需要考慮以下2 個因素：

（1）由于有限元模型與實際施工狀態(tài)存在差異，在計算混凝土長期收縮引發(fā)的縱向水平移位時，只選取理論計算結(jié)果的70%。此外，在有限元模型中模擬邊墩支座時，采用了一般的彈性支承，只約束了主梁垂向移位，而實際工程中邊墩支撐座存在一定的水平摩阻力。

（2）將頂推操作分為2 個階段，第一階段是頂推作業(yè)至成橋階段。此階段的時間不會太長，成橋前結(jié)構(gòu)累積的位移量和溫度差引發(fā)的移位量都可以通過頂推給予抵消。第二階段是成橋至混凝土徐變收縮基本穩(wěn)定。因為收縮徐變是逐漸發(fā)生的過程，時間比較長，如果要完全通過頂推來抵消其所致的位移量，會積累過大的位移量，對梁的承載力不利。因此工程上多采取只預(yù)推頂60%的收縮徐變量。頂推移動量計算公式[3]：

式中，Δ——頂推移動量；δ成橋階段——成橋階段的墩頂移位量；δ溫度效應(yīng)——溫度影響下的墩頂移位量；δ長期收縮徐變——收縮徐變長期作用下的墩頂移位量。

3.3 頂推力的確定方法

多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程通常是先合并兩端跨度，再合并中間跨度。頂推力算法基于有限元法。主梁通常采取變截面設(shè)計，其截面的幾何參數(shù)也可能各不相同，同時多采取高次超靜定結(jié)構(gòu)，人工計算繁瑣且耗時。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今已有多款專業(yè)橋梁計算軟件問世，在橋梁有限元模擬計算中，可以通過施加理論頂推力來計算實際頂推力。計算公式如下：

式中，Δi——節(jié)點i的質(zhì)量；δi——節(jié)點i的縱向水平位移量。

由于有限元模擬計算方法的計算速度快、準確度高、工程應(yīng)用簡單，所以工程中多采用該方法進行頂推力計算。

3.4 確定頂推點與頂推方向

連續(xù)剛構(gòu)橋常采用變截面主梁，以利于減小自重和增加跨徑。主梁截面形狀多為曲線，類似于上弦拱形態(tài)。在施加水平頂推力時，會在梁截面發(fā)生向上彎矩，影響橋梁的受力和線形，應(yīng)盡量給予控制直至避免。頂推應(yīng)遵循以下原則：①保證頂推點在斷面形心區(qū)域；②頂推力方向與梁斷面形心線的切線方向保持一致。

4 中跨合龍施工的頂推力計算

4.1 頂推位移量的確定

為了得到合理的頂推移位量，就需要計算獲得成橋階段的墩頂偏位（如表2 所示）、成橋10 年后的墩頂偏位量（如表3 所示）以及溫度影響下的墩頂偏位（如表4所示）。現(xiàn)場施工中，合龍溫度一般很難與設(shè)計合龍溫度完全一致。實際合龍溫度太高會影響頂推功效。這里按實際合龍溫度較比設(shè)計合龍溫度分別高10 ℃和15 ℃的溫度工況進行頂推位移量計算，如表5 所示[4]。

表2 成橋階段的墩頂水平位移量

表3 基于長期收縮徐變的墩頂水平位移

表4 降溫10 ℃、15 ℃工況時的墩頂水平位移

表5 降溫10 ℃、15 ℃工況時的頂推移動量

結(jié)合表2~4 中數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）計算獲得的頂推移動量見表5 所示：

4.2 頂推力的確定

采用有限元模擬方法，計算模擬的各個頂推位置分別施加頂推力100 kN 后，墩頂所發(fā)生的水平向位移，并將結(jié)果列于表6 中。

表6 施加頂推力100 kN 的墩頂水平向位移 /mm

結(jié)合表6 數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）計算獲得的不同溫度條件下的頂推力見表7 所示：

表7 合龍各溫度下的頂推力 /kN

由于節(jié)點74#和77#均為P8#墩頂?shù)墓?jié)點，節(jié)點82#和84#均為P9#墩頂?shù)墓?jié)點，所以實際頂推取值則應(yīng)為下式所示：

則基于上述取值原則的各合龍溫度下經(jīng)計算獲得的所需頂推力，如表8 所示：

表8 各合龍溫度經(jīng)計算獲得的所需頂推力 /kN

案例工程基于計算所得的頂推力開展中跨合龍頂推施工操作，圓滿完成了施工建設(shè)任務(wù)。該分析計算方法可為同類其他工程進行合龍頂推控制參數(shù)分析計算提供技術(shù)參考。

5 結(jié)語

結(jié)合工程案例，該文進行了連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中跨合龍的頂推控制技術(shù)研究。文中介紹了連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍頂推工藝及剛性骨架應(yīng)用；介紹了主要頂推控制項的確定原則，包括頂推控制參數(shù)選取、頂推移動量的確定、頂推力的確定、頂推點與頂推方向的確定等內(nèi)容；介紹了案例工程中跨合龍施工的頂推力計算過程及結(jié)果。頂推移動量主要由成橋變形、溫度影響形變、混凝土收縮徐變的形變值、不同階段的理論值的引入量等部分構(gòu)成。案例工程將頂推操作分為2 個階段：第一階段是頂推作業(yè)至成橋階段；第二階段是成橋至混凝土徐變收縮基本穩(wěn)定。文中介紹了案例工程頂推作業(yè)至成橋階段（即第一階段）的合攏頂推移位和所需頂推力的計算成果，可為同類工程分析計算提供參考。