大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍方案及力學(xué)性能研究

摘要 為研究不同合龍順序?qū)蛄毫W(xué)性能的影響，文章以重慶某連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，采用有限元分析軟件建立不同合龍方案的數(shù)值模型，分析不同合龍方案下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和位移變形。結(jié)果表明，采用不同合龍方案施工時，對主梁及橋墩的應(yīng)力分布、墩頂?shù)乃轿灰谱冃斡绊戄^小，對主梁的豎向變形影響較為顯著；對于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，選擇合理的合龍方案可有效降低合龍段施工所需的頂推力，顯著改善成橋階段結(jié)構(gòu)的受力性能和主梁下?lián)稀?/p>

關(guān)鍵詞 連續(xù)剛構(gòu)橋；合龍方案；結(jié)構(gòu)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)變形

中圖分類號 U448.23 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0066-03

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋因其主梁與橋墩一體化的設(shè)計和形成的框架結(jié)構(gòu)，有效提升了結(jié)構(gòu)的承載能力，降低了建筑材料的損耗率，在經(jīng)濟效益上具有顯著優(yōu)勢。特別是在西南地區(qū)地勢陡峭險峻的山谷地區(qū)，連續(xù)剛構(gòu)橋以其獨特的受力性能和經(jīng)濟效益在西部工程建設(shè)中得到進一步的推廣應(yīng)用。合龍作為結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟和最終施工階段，其施工質(zhì)量不僅直接關(guān)系橋梁能否實現(xiàn)全線貫通，還間接影響橋梁運營階段的受力性能。在多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍方案的研究領(lǐng)域，我國眾多學(xué)者進行了深入分析。鄒毅松等[1]通過模型對比分析了力法和有限元的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)頂推力在合龍階段的運用能夠顯著降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，提升結(jié)構(gòu)的安全余度；周光偉等[2]則專注于白水湘江大橋，研究了高溫合龍對橋梁結(jié)構(gòu)的性能影響，發(fā)現(xiàn)適時施加頂推力可以有效降低高溫造成的應(yīng)力增幅；李亞林等[3]分析了設(shè)計合龍溫度下施工合龍的橋梁頂推力與合龍溫度之間存在的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)施加頂推力能使箱梁的應(yīng)力重分布，從而優(yōu)化橋梁運營階段的受力性能，改善主梁的下?lián)虾烷_裂問題。該文以重慶某在建的連續(xù)剛構(gòu)橋為工程依托，將成橋階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況作為判別依據(jù)，對多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍方案和力學(xué)性能進行研究，其研究結(jié)論可為同類工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程背景

該依托橋梁是一座七跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長1 092m，跨徑布置為（96+5×180+96）m。主梁采用單箱單室箱型截面，箱梁的頂板寬度為16.25 m，底板寬度為8.5 m，單側(cè)懸臂長度為3.875 m。箱梁截面的梁高沿1.5次拋物線，從跨中梁高4.0 m逐漸變化至根部梁高11.5 m。箱梁根部的底板厚度為170 cm，按照1.5次拋物線的變化規(guī)律漸變至跨中及邊跨支點的35 cm。箱梁腹板的厚度沿跨中至根部分別從50 cm變化至70 cm和90 cm，主梁零號塊的腹板厚度為120 cm。為滿足橋面排水和減輕結(jié)構(gòu)恒載，將箱梁的頂板設(shè)計成單向橫坡，橋面鋪裝層的橫坡厚度一致。

橋梁的4號墩和9號墩為雙肢薄壁墩，交界墩和5號至8號主墩為空心薄壁墩，墩身的縱橫向尺寸均按照1/60的坡比由下至上逐漸變窄。主墩的承臺下部設(shè)置16根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。橋梁的立面布置圖詳見圖1所示：

2 合龍方案及頂推力確定

2.1 方案擬定

該依托橋梁屬于七跨連續(xù)剛構(gòu)橋，選擇對稱合龍的方式進行合龍段施工。結(jié)合現(xiàn)場施工進度，該文選擇三種合龍方案進行對比分析。（1）方案一：邊跨—次邊跨—次中跨—中跨；（2）方案二：邊跨—次邊跨—中跨—次中跨；（3）方案三：邊跨—中跨—次邊跨—次中跨。

主橋的邊跨合龍段施工完成后開始第一次結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)化，隨后根據(jù)合龍方案在每個合龍口分次施加頂推力，綁扎合龍段鋼筋，澆筑合龍段混凝土，張拉合龍鋼束，進行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，直至全橋貫通。

2.2 結(jié)構(gòu)建模

該橋的數(shù)值模型通過有限元分析軟件MidasCivil 2020建立，主梁和橋墩均采用梁單元進行模擬。根據(jù)現(xiàn)場的實際施工情況，共劃分為107種施工工況。整個橋梁模型包含622個節(jié)點和608個單元。

2.3 合龍頂推力計算

在連續(xù)剛構(gòu)橋合龍段施工前，兩側(cè)的主梁懸臂端由于環(huán)境溫度變化、混凝土收縮徐變及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變等因素產(chǎn)生變形。針對這一問題，在合龍段澆筑前，對兩側(cè)合龍口施加適宜的頂推力，促使墩頂產(chǎn)生與原有結(jié)構(gòu)變形方向相反的水平位移，可有效改善后期主梁的受力狀況和跨中下?lián)系葐栴}。

（1）頂推位移量確定

若計算合龍口的頂推力，需先確定合龍口的頂推位移量。橋梁在成橋后主要承受的荷載為混凝土收縮徐變和溫度作用，因此合龍頂推時需考慮的位移量主要有以下三個方面：施工階段的變形δ1、溫差作用的變形δ2、十年收縮徐變的變形δ3。成橋后橋墩不宜出現(xiàn)較大的水平位移，以保證結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計要求，故合龍頂推時僅頂推收縮徐變位移變形的60%。頂推位移總量δ的計算如下所示：

采用Midas Civil2020計算各因素作用下主橋墩頂?shù)乃轿灰谱冃?，具體見表1所示（表中的位移變形值均以朝向大里程方向為正，朝向小里程方向為負；溫度變形量考慮升溫7℃）。

（2）合龍頂推力確定

橋墩在頂推力作用下處于彈性階段，頂推得到的墩頂位移量與頂推力大小呈線性關(guān)系。因此，根據(jù)二者的線性關(guān)系可得到單位頂推力作用下各墩頂?shù)奈灰谱冃瘟?。該文在不同合龍順序的?shù)值分析模型中，根據(jù)合龍方案對各合龍口分別施加100 kN的頂推力，得到各墩頂?shù)乃轿灰屏?，然后得出三種合龍方案下單位頂推力作用時各墩頂?shù)奈灰谱冃蝍ij（i=4～9；j=1，2，3），將其代入式（2）可以得到各合龍口的頂推力。

式中，f1——中跨頂推力（kN）；f2——次中跨頂推力（kN）；f3——次邊跨頂推力（kN）；aij——單位頂推力fj頂推作用時，i號墩的墩頂位移量（mm）。

選擇不同合龍方案施工時，計算得到的合龍頂推力也有所差異。根據(jù)單位頂推力作用下各墩頂?shù)乃轿灰屏縜ij和表1的墩頂位移量，計算得到不同合龍方案下合龍段施工時各合龍口所需的頂推力。不同方案下各合龍口所需施加的水平頂推力見表2所示：

3 力學(xué)性能分析

根據(jù)表2計算得到各合龍方案下的頂推力值，將其代入有限元數(shù)值分析模型進行計算，分析不同合龍方案下成橋階段橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布（見表3所示）和變形情況（見表4所示）。

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

方案一的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖如圖3～5所示，三個方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布結(jié)果見表3所示。

從表3可以看出，橋梁選擇不同合龍方案進行施工時，成橋階段箱梁截面的上下緣均處于受壓狀態(tài)，截面上緣的最大壓應(yīng)力值為-11.5 MPa，下緣最大壓應(yīng)力值為-10.1 MPa；主墩的墩底最大壓應(yīng)力值為-6.6 MPa。由此可知，橋梁結(jié)構(gòu)的主梁和橋墩在選擇不同合龍方案施工時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化不顯著，且各構(gòu)件的最大壓應(yīng)力值未超過《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）規(guī)定的混凝土允許壓應(yīng)力值18.4 MPa，表明在不同合龍方案下，橋梁結(jié)構(gòu)的主梁和橋墩均處于安全狀態(tài)。

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

方案一的結(jié)構(gòu)變形分布圖如圖6～7所示，三個方案的結(jié)構(gòu)變形分布結(jié)果見表4所示。

從表4可以看出，選擇不同合龍方案進行施工時，能有效改善成橋階段的主梁豎向變形，但對橋墩墩頂?shù)乃轿灰谱冃斡绊戄^??；采用不同的合龍頂推方案，可以改變主梁撓度峰值的出現(xiàn)位置，但無法改變橋墩的最不利變形情況。

4 結(jié)論

該文以重慶某高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋為工程依托，研究多跨連續(xù)剛構(gòu)橋在不同合龍方案下主梁和橋墩的力學(xué)性能，得到以下結(jié)論：

（1）選擇不同合龍方案時，對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和墩頂?shù)乃轿灰谱冃螣o明顯影響，但對主梁豎向變形的影響較為顯著。

（2）對于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，選擇合理的合龍方案，不僅可以有效降低施工所需的頂推力和施工難度，還可以顯著降低成橋階段的主梁變形，改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

參考文獻

[1]鄒毅松，單榮相.連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力的確定[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報， 2006（2）：12-15.

[2]周光偉，陳得良，劉榕.連續(xù)剛構(gòu)橋合攏溫度的合理確定及高溫合攏對策[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報， 2006（3）：15-19.

[3]李亞林，周瑋.連續(xù)剛構(gòu)橋頂推力計算方法及受力性能分析[J].交通科技與經(jīng)濟， 2007（5）：6-8.