多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推方案及溫差效應(yīng)研究

郭偉峰

云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南 昆明 650011

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋作為一種結(jié)構(gòu)受力明確、設(shè)計(jì)與施工工藝成熟、行車舒適的橋型，在120m～240m跨徑之間具有良好的適用性,極大填補(bǔ)了普通梁橋與大型拱橋及特大型索橋之間的空白。連續(xù)剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié)形式，成橋后橋墩參與受力。隨著跨數(shù)的增加，超靜定次數(shù)增加，混凝土的收縮徐變作用[1]及合龍時(shí)的溫差效應(yīng)會(huì)使剛構(gòu)橋各固結(jié)墩向跨中方向產(chǎn)生永久性位移，在墩底產(chǎn)生較大彎矩，并使主梁發(fā)生跨中下?lián)希绊懶熊囀孢m性。為降低橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)發(fā)生上述病害的影響，可在合龍前對(duì)梁體進(jìn)行反方向頂推，以抵消成橋后溫度下降及混凝土長(zhǎng)期收縮徐變產(chǎn)生的永久內(nèi)力及變位。

文章結(jié)合某工程實(shí)例，針對(duì)多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍及頂推方案及合龍時(shí)溫差效應(yīng)進(jìn)行研究。

2 工程背景及有限元模型

某大橋跨越河谷，河谷最低處距橋面187m。該橋橋跨布置為3×30+2×30+（96+3×180+96）+2×30+2×30m，其中主跨為五跨一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋（圖1）。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，全橋處于單向-0.8%的縱坡上。

圖1 橋型布置圖

上部結(jié)構(gòu)懸澆梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬為12.55m，底寬為7m，懸臂長(zhǎng)度為2.775m。箱梁根部梁高為11m，跨中梁高為3.8m。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁高度按1.8次拋物線變化。下部結(jié)構(gòu)6號(hào)（76m）、9號(hào)（91m）主墩采用雙肢空心薄壁墩；7號(hào)（176m）、8號(hào)（170m）主墩采用組合式橋墩。組合式橋墩上部為雙肢空心薄壁墩，下部為箱型截面。

3 合龍及頂推方案確定

針對(duì)該橋，文章提出以下4種合龍方案，并均在中跨及次中跨合龍前對(duì)主梁懸臂端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂推，各合龍及頂推方案如下：

合龍方案一：（CBA）先邊跨C，再次中跨B，最后中跨A合龍。

合龍方案二：（CAB）先邊跨C，再中跨A，最后次中跨B合龍。

合龍方案三：（ACB）先中跨A，再邊跨C，最后次中跨B合龍。

合龍方案四：（ABC）先中跨A，再次中跨B，最后邊跨C合龍。

3.1 頂推位移量的確定

假定以上4個(gè)合龍方案均按照設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行合龍，計(jì)算得到得到各合龍方案主橋成橋10年后、因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的墩頂水平位移、在各作用下累計(jì)墩頂水平位移，如表1所示。墩頂水平位移采用墩頂相應(yīng)主梁截面水平位移。

表1 不頂推合龍時(shí)主橋成橋10年后墩頂水平位移（mm）

計(jì)算結(jié)果表明：（1）不同合龍順序?qū)Χ枕斔轿灰疲ㄒ蚧炷潦湛s徐變產(chǎn)生）基本沒(méi)有影響；（2）對(duì)于各作用下累計(jì)墩頂水平位移，不同的合龍順序會(huì)產(chǎn)生較大差異；（3）因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的墩頂水平位移占累計(jì)位移的51.5%～87.9%，混凝土收縮徐變對(duì)橋梁的影響不可忽視，應(yīng)采取相應(yīng)措施適當(dāng)?shù)窒溆绊?；?）邊墩相對(duì)中墩來(lái)說(shuō)，受混凝土收縮徐變影響更大。

理想的頂推是消除表1中的累計(jì)水平位移，使其總位移量為零，而實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的，也是不必要的。難以實(shí)現(xiàn)的原因在于由于各墩墩高不同，導(dǎo)致各墩最大懸臂狀態(tài)縱橋向剛度不同，進(jìn)而混凝土收縮徐變效應(yīng)在各墩上的表現(xiàn)有顯著差異，而頂推時(shí)為了保持各“T”構(gòu)受力平衡，中跨合龍時(shí)兩個(gè)中墩（7號(hào)、8號(hào)）最大懸臂節(jié)點(diǎn)處（圖1合龍位置A處）頂推力應(yīng)相等，次中跨合龍時(shí)兩個(gè)邊墩墩（6號(hào)、9號(hào)）最大懸臂節(jié)點(diǎn)處（圖1合龍位置B處）頂推力亦應(yīng)相等。這就必須在合龍時(shí)對(duì)兩個(gè)邊墩、兩個(gè)中墩的頂推力分別進(jìn)行折中。不必要的原因是若將上述水平位移量完全頂推到位，勢(shì)必造成成橋初期反向水平位移過(guò)大，這對(duì)橋梁受力是不利的。通過(guò)反復(fù)試算和比較，確定按表1中累計(jì)位移的80%水平位移量[2][3]作為頂推量。各墩具體頂推量見(jiàn)表2。

表2 各墩具體頂推量（mm）

3.2 頂推力計(jì)算

為確定各合龍方案頂推力，合龍時(shí)在中跨、次中跨最大懸臂端節(jié)點(diǎn)處施加100 kN的水平頂推力，并增加相應(yīng)平衡力以保持各墩最大懸臂狀態(tài)平衡，得到4個(gè)合龍方案的位移水平增量，如表3所示。

表3 100 kN頂推力作用下各墩墩頂縱橋向位移（mm）

對(duì)合龍口處施加100kN 的初始頂推力，再根據(jù)所需頂推位移求得總頂推力。聯(lián)立表2、表3的數(shù)據(jù)，根據(jù)水平頂推力與頂推位移成正比，進(jìn)行各方案合龍頂推力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各方案合龍時(shí)頂推力（100kN）

3.3 各方案比較分析

為對(duì)各合龍頂推方案進(jìn)行分析比較[4]，將表4計(jì)算得出的各跨合龍時(shí)頂推力分別施加到各有限元計(jì)算模型中，得到各方案成橋10年后墩頂累計(jì)水平位移，如表5所示。

表5 頂推后各方案成橋10年后墩頂水平位移（mm）

從表1、表5可以看出，方案一相對(duì)于其他三個(gè)方案，成橋10年后墩頂水平位移明顯較大，且方案一從邊跨依次向中跨合龍，次中跨合龍時(shí)還須在中跨額外增加頂推力以保持“T”構(gòu)平衡，施工繁瑣，該合龍方案不適用于本橋。

對(duì)于6號(hào)墩，累計(jì)位移值的絕對(duì)值越小方案最優(yōu)；對(duì)于7號(hào)墩，累計(jì)位移值的絕對(duì)值越大方案最優(yōu)；對(duì)于8號(hào)墩，累計(jì)位移值的絕對(duì)值越小方案最優(yōu)；對(duì)于9號(hào)墩，累計(jì)位移值的絕對(duì)值越小方案最優(yōu)。針對(duì)方案二、方案三、方案四，橋墩最優(yōu)相應(yīng)方案得分為1，其余方案根據(jù)位移比例確定得分，計(jì)算各方案得分情況見(jiàn)表6。

表6 各方案得分表

從表6可以看出，方案三為最佳合龍頂推方案，即先中跨，再邊跨，最后次中跨合龍。

以方案三為最佳合龍頂推方案，從模型中分別提取不施加頂推力、施加頂推力成橋10年后各墩墩底受力結(jié)果[5]見(jiàn)表7。

表7 成橋10年后各墩墩底受力情況

從表7可以看出，頂推與否對(duì)墩底軸力影響不大，但是可極大降低成橋后墩底順橋向彎矩，降低配筋率，提高工程經(jīng)濟(jì)性。

4 溫差效應(yīng)與墩頂水平位移

在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，為避免降溫導(dǎo)致主墩向中跨跨中方向產(chǎn)生墩頂水平位移，橋梁應(yīng)選擇在低溫時(shí)進(jìn)行合龍，當(dāng)實(shí)際合龍溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際溫差增大頂推力，以抵抗溫差效應(yīng)。以方案三為最優(yōu)合龍方案，計(jì)算該橋在實(shí)際溫度合龍后，降溫1～10℃對(duì)成橋狀態(tài)下各墩墩頂水平位移的影響，得到各墩墩頂水平位移見(jiàn)表8。

表8 降溫對(duì)成橋狀態(tài)下各墩墩頂水平位移的影響（mm）

從表8可以看出，隨著成橋后溫度降幅的增大，各主墩墩頂?shù)目v向位移越來(lái)越大，且位移方向均朝向中跨跨中。成橋時(shí)實(shí)際合龍溫度對(duì)頂推力有很大影響，橋梁合龍時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際合龍溫度對(duì)頂推力進(jìn)行調(diào)整以抵抗溫差效應(yīng)導(dǎo)致的墩頂水平位移。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)合某工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)4個(gè)合龍頂推方案進(jìn)行分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）多跨連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土長(zhǎng)期收縮徐變對(duì)成橋后橋梁的影響極大；邊墩相對(duì)中墩受其影響更大，因此根據(jù)橋梁制定相應(yīng)的合龍頂推方案是必要的。本工程最佳合龍頂推方案為先中跨，再邊跨，最后次中跨合龍。

（2）合龍時(shí)施加頂推力不但降低運(yùn)營(yíng)期內(nèi)橋梁墩頂水平位移，而且還有效地降低墩底彎矩，改善橋墩受力。

（3）當(dāng)跨數(shù)增多及墩高發(fā)生變化時(shí)相應(yīng)合龍順序及配套的頂推力應(yīng)結(jié)合橋梁各“T”構(gòu)剛度、各橋墩高度、全橋跨數(shù)、實(shí)際合龍溫度等因素進(jìn)行分析計(jì)算。