連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力研究

收稿日期：2024-01-30

作者簡(jiǎn)介：劉偉長(zhǎng)（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事公路橋梁設(shè)計(jì)工作。

摘要 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變會(huì)使主墩產(chǎn)生水平位移及附加內(nèi)力，對(duì)主墩受力不利，一般在施工合龍時(shí)需施加頂推力來(lái)抵消其影響。文章通過(guò)工程實(shí)例，分析研究了合龍段頂推力的確定方法、合龍溫差對(duì)頂推力的影響及頂推力大小對(duì)橋墩位移及彎矩的影響，為同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 連續(xù)剛構(gòu)橋；構(gòu)造；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) U448.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0075-04

0 引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋由于其跨越能力強(qiáng)，造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于公路和鐵路橋梁。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變會(huì)使梁體產(chǎn)生豎向撓度和水平位移以及附加內(nèi)力[1-3]，造成主墩的偏位，影響了橋梁的美觀和行車(chē)的舒適性，也對(duì)主墩受力產(chǎn)生不利影響。對(duì)于主梁產(chǎn)生的豎向撓度，一般采取施工過(guò)程中施加預(yù)拱度的方法來(lái)抵消其影響。對(duì)于主墩的偏位及受力不利影響采取合龍時(shí)對(duì)梁體施加一個(gè)水平頂推力，給主墩施加一個(gè)反向位移來(lái)抵消后期收縮徐變引起的主墩水平位移，并改善橋墩受力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍段頂推力進(jìn)行了大量研究。余錢(qián)華[4]等介紹了連續(xù)剛構(gòu)橋在有頂推和無(wú)頂推兩種情況下，長(zhǎng)期收縮徐變后，主梁應(yīng)力、豎向位移、墩頂水平位移及墩底應(yīng)力的變化，還分析研究了合龍溫差對(duì)墩頂水平位移的影響。趙永華[5]等通過(guò)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，研究了合龍段施加頂推力對(duì)主梁各截面頂、底板的應(yīng)力和撓度的影響。張寶恒[6]對(duì)三跨連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍方案及頂推力進(jìn)行了研究。李軍[7]等采用有限元分析對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋合龍時(shí)施加頂推力對(duì)主梁撓度、應(yīng)力及主墩彎矩的影響。

通過(guò)虎市大橋的設(shè)計(jì)實(shí)例，分析研究了合龍段頂推力大小對(duì)橋墩位移及彎矩的影響，以及合龍溫差對(duì)頂推力大小的影響。

1 工程概況

虎市大橋位于廣東省大埔縣青溪鎮(zhèn)虎市村，起點(diǎn)連接縣道X973線，終點(diǎn)與鄉(xiāng)道Y113相接，橋梁全長(zhǎng)324.4 m，橋跨采用（14+55+2×90+55+14）m，主橋橋面寬12 m?；⑹写髽驑蛐筒贾萌鐖D1所示。

主橋采用（55+2×90+55）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。斷面采用單箱單室，直腹板，根部梁高5.4 m，跨中梁高2.5 m。箱梁頂板全寬1 200 cm，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)300 cm；懸臂板端部厚20 cm，懸臂板根部厚65 cm，箱梁底板寬600 cm、底板厚28～71.8 cm，墩頂局部加強(qiáng)到142.6 cm，頂板厚28 cm，腹板厚度45～65 cm，端橫梁厚150 cm，墩頂0#塊橫隔板厚100 cm。主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力均采用鋼絞線。中墩采用雙薄壁墩，墩身截面尺寸橫橋向?qū)? m，順橋向厚1 m，墩高約10 m。承臺(tái)平面尺寸為12×6.6 m，厚度3 m，承臺(tái)下樁基采用6 根Φ1.8 m鉆孔灌注樁。主橋按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。主墩處主梁斷面如圖2所示。

圖2 主梁斷面圖（cm）

2 結(jié)構(gòu)建模

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)行車(chē)速度：40 km/h。

（2）設(shè)計(jì)荷載：公路-I級(jí)。

（3）抗震設(shè)防：地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，基本烈度為6度。

（4）安全等級(jí)：一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。

2.2 主要材料

主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土，防撞護(hù)欄、承臺(tái)采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。預(yù)應(yīng)力采用的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線。

2.3 計(jì)算主要參數(shù)

2.3.1 恒載

自重由程序自動(dòng)計(jì)算。二期恒載包括鋪裝層及防撞墻，其重量通過(guò)線性荷載形式加載到主梁?jiǎn)卧?。鋪裝取40 kN/m，防撞墻取26 kN/m。

2.3.2 汽車(chē)荷載

汽車(chē)荷載采用公路-Ⅰ級(jí)，按雙車(chē)道計(jì)算。

2.3.3 溫度荷載

整體升降溫取20 ℃，相對(duì)濕度0.8。梯度溫度按規(guī)范[8]取值，主梁梯度溫度按水泥混凝土鋪裝取值，正溫差T1=25 ℃、T2=6.7 ℃，負(fù)溫差取正溫差值的?0.5倍，T1=?12.5 ℃、T2=?3.35 ℃。

2.3.4 基礎(chǔ)沉降

中墩沉降取10 mm，邊墩沉降取5 mm。

2.3.5 施工階段劃分

施工主要步驟：澆筑樁基、承臺(tái)、橋墩—澆筑0#塊—掛籃施工1#～11#主梁節(jié)段—邊跨合龍—中跨合龍—澆筑鋪裝及防撞墻—成橋10年。

2.4 計(jì)算模型

采用通用有限元計(jì)算軟件Midas Civil 2022進(jìn)行全橋縱向整體分析，全橋劃分283個(gè)空間梁?jiǎn)卧?15個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 三維有限元計(jì)算模型

3 頂推力計(jì)算

合龍段頂推力的大小與主梁與橋墩剛度、合龍溫度、合龍方案、合龍后頂?shù)装邃撌鴱埨闆r及收縮徐變等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)在恒載及頂推力的作用下，完成收縮徐變后，橋墩墩頂位移為零來(lái)確定頂推力。該橋合龍方案采用先邊跨合龍?jiān)僦锌绾淆垼锌绾淆垥r(shí)采用兩中跨同時(shí)合龍，設(shè)計(jì)合龍溫度為20 ℃。通過(guò)計(jì)算，可以得到在恒載及不同頂推力作用下，2#、4#橋墩在成橋后及成橋10年后墩頂水平位移情況。如圖4、圖5所示，分別給出了2#、4#橋墩在不同頂推力作用下，成橋和成橋10年墩頂水平位移的情況，由圖4～5可知，成橋時(shí)和成橋10年后墩頂水平移位與頂推力基本呈線性關(guān)系。在不施加頂推力的情況下，成橋時(shí)2#墩的水平位移為10.9 mm，4#墩的水平位移?10.9 mm；成橋10年后2#墩的水平位移為28 mm，4#墩的水平位移?28 mm，位移以向大里程方向?yàn)檎?，向小里程方向?yàn)樨?fù)。

通過(guò)圖5可知，當(dāng)頂推力為2 900 kN時(shí)，成橋10年后2#及4#墩墩頂水平位移基本為零?？紤]收縮徐變?cè)诔蓸虺跗诎l(fā)展較快，后期運(yùn)營(yíng)階段逐步減少，在確定頂推力時(shí)，為了避免成橋初始階段過(guò)大的反向位移引起主墩彎矩過(guò)大，王巖[9]建議取成橋后收縮徐變效應(yīng)值的80%，魏建斌[10]等建議取成橋5年后收縮徐變效應(yīng)值，吳騰飛[11]采用成橋10年后在恒載作用下墩頂位移為零來(lái)確定頂推力。該文建議設(shè)計(jì)時(shí)按照成橋10年后在恒載作用下墩頂位移為零來(lái)確定頂推力，故該橋頂推力建議采用2 900 kN。

4 合龍溫差對(duì)頂推力的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，環(huán)境溫度變化會(huì)引起主梁伸縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，同時(shí)主梁伸縮也會(huì)引起主墩產(chǎn)生水平位移和內(nèi)力。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)合龍溫度為當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?。上述頂推力是按設(shè)計(jì)合龍溫度計(jì)算出來(lái)的頂推力，實(shí)際施工時(shí)，合龍溫度一般與設(shè)計(jì)合龍溫度不一致，故實(shí)際施工時(shí)，頂推力應(yīng)根據(jù)實(shí)際的合龍溫差進(jìn)行修正。根據(jù)頂推力的計(jì)算可以求出橋梁的水平剛度為K=2 900 kN/

28 mm=103.6 kN/mm。通過(guò)計(jì)算，得知整體溫度變化1 ℃時(shí)，墩頂水平位移δ為0.84 mm，故溫度變化1 ℃時(shí)，引起頂推力的變化ΔF=Kδ=103.6×0.84=87 kN。該橋設(shè)計(jì)合龍溫度為20 ℃，當(dāng)實(shí)際合龍溫度高于20 ℃，每升高1 ℃時(shí)，頂推力增加87 kN，每降低1 ℃時(shí)，頂推力減少87 kN，即最終頂推力F=（2 900±87ΔT）kN，其中ΔT為實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度差。

5 頂推力對(duì)橋墩彎矩的影響

在恒載及不同頂推力作用下，2#橋墩在成橋后及成橋10年后墩頂及墩底彎矩情況如圖6～7所示。

由圖6、7可知，橋墩彎矩與頂推力基本呈線性關(guān)系，開(kāi)始頂推力較小時(shí)，隨著頂推力的增大，橋墩彎矩變小，當(dāng)彎矩變成反向后，隨著頂推力的增大，橋墩彎矩也增大。從圖7可知，如果把橋墩彎矩效應(yīng)作為確定頂推力的目標(biāo)效應(yīng)，那么頂推力將為3 728 kN，此時(shí)，成橋10年后墩頂彎矩與墩底彎矩相等，為?178 kN·m，此時(shí)橋墩彎矩效應(yīng)最小。但是考慮實(shí)際施工時(shí)彎矩大小不易測(cè)量，推力為3 728 kN時(shí)成橋初期的橋墩墩頂、墩底彎矩均比未施加頂推力要大得多，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，所以一般根據(jù)墩頂位移來(lái)確定頂推力，而不是橋墩彎矩。

在未施加頂推力和施加2 900 kN頂推力兩種工況下，橋墩在成橋初期及成橋10年（考慮收縮徐變后）后的彎矩如表1所示。成橋初期，2#、4#橋墩在施加頂推力與未施加頂推力后墩頂彎矩大小基本相等，但方向相反；施加頂推力后的墩底彎矩比未施加頂推力時(shí)大小有所增大，但方向相反。成橋10年后，施加頂推力后2#、4#橋墩墩頂、墩底彎矩比未施加頂推力時(shí)大小都減少很多，方向一致，墩頂彎矩降幅達(dá)到75%，墩底彎矩降幅達(dá)到80%。3#橋墩在施加頂推力與未施加頂推力時(shí)，彎矩基本沒(méi)變化。故對(duì)于四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，施加頂推力后，能大大減少邊主墩（2#、4#）彎矩，有利于橋墩受力。

圖6 成橋后橋墩彎矩與頂推力的關(guān)系圖

圖7 成橋10年后橋墩彎矩與頂推力的關(guān)系圖

表1 不同頂推力下橋墩彎矩 /（kN·m）

位置 未施加頂推力時(shí) 頂推力為2 900 kN時(shí)

成橋初期 成橋10年 成橋初期 成橋10年

2#橋墩墩頂 ?3 032 ?4 996 3 036 ?1 248

2#橋墩墩底 2 727 4 780 ?3 531 924

3#橋墩墩頂 ?124 ?185 ?112 ?179

3#橋墩墩底 124 178 118 175

4#橋墩墩頂 3 032 4 997 ?3 035 1 251

4#橋墩墩底 ?2 726 ?4 780 3 532 ?924

6 結(jié)語(yǔ)

（1）大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍過(guò)程中施加頂推力，能大幅減少成橋后期橋墩水平位移和橋墩彎矩，改善橋墩

（下轉(zhuǎn)第74頁(yè)）

（上接第77頁(yè)）

受力，提高橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）建議根據(jù)成橋10年后，在恒載作用下，墩頂位移為零來(lái)確定頂推力的大小，不建議根據(jù)橋墩彎矩效應(yīng)確定頂推力。

（3）頂推力還需要考慮實(shí)際合龍溫差的影響，根據(jù)實(shí)際合龍溫差對(duì)頂推力進(jìn)行調(diào)整。

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