多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋主梁合龍方案研究＊

潘國兵 劉 毅

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院1） 重慶 400074） （重慶高新區(qū)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司2） 重慶 400039）

0 引 言

連續(xù)剛構(gòu)橋在長(zhǎng)期荷載作用下會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失、主梁下?lián)稀⒅髁杭皹蚨账狡?過大的水平位移會(huì)導(dǎo)致支座剪切破壞、橋墩穩(wěn)定性降低等問題.此外，溫度變化也會(huì)影響主梁變形.為了消除此影響，在連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時(shí)對(duì)梁體施加一對(duì)水平頂推力，給主墩施加一個(gè)反向位移，來抵消合龍溫差、后期收縮徐變等因素引起的水平位移.對(duì)于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，由于其跨徑大、連續(xù)孔數(shù)多及高次超靜定等因素，頂推力的大小不僅與水平位移量有關(guān)，還與合龍順序有關(guān).因此有必要對(duì)多跨連續(xù)剛構(gòu)橋水平頂推力與合龍順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［1－6］.

1 頂推力的確定方法

首先必須計(jì)算出頂推量，頂推量的確定是根據(jù)3部分的位移量計(jì)算得到：成橋下的變形（δ成橋階段）；溫差作用下的變形（δ溫度）；20年的收縮徐變變形值（δ長(zhǎng)期作用）.由于計(jì)算模型中一般不考慮邊墩支座的水平約束作用，故計(jì)算δ長(zhǎng)期作用時(shí)按70%取值，考慮成橋后不宜長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)過大反向水平位移，所以合龍時(shí)考慮預(yù)先頂推60%.則頂推位移量最終確定為：δ頂推＝－（δ成橋階段＋δ溫度＋δ長(zhǎng)期作用×70%×60%）.

利用橋梁博士模擬計(jì)算，在有限元模型中各頂推位置分別施加100kN的頂推力，提取各控制節(jié)點(diǎn)的水平位移.利用頂推量與頂推力之間的線性關(guān)系，推得各方案的頂推力－位移量關(guān)系式.再根據(jù)計(jì)算出的頂推量確定頂推力.

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

該橋位起點(diǎn)段平面位于半徑R＝1 750.55m，Ls＝210m的圓曲線和緩和曲線上，橋位終點(diǎn)段平面位于半徑R＝18 300m，Ls＝265m的圓曲線和緩和曲線上，主橋主要位于中間直線段上.橋梁全長(zhǎng)1 248m，主橋最大墩高153m.主橋上部結(jié)構(gòu)為90m＋4×160m＋90m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，引橋上部結(jié)構(gòu)為30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為空心墩及柱式墩、樁基礎(chǔ).

2.2 計(jì)算參數(shù)及有限元模型

主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土.5個(gè)主墩與大地固結(jié)，過渡墩支座模擬成活動(dòng)鉸.采用橋梁博士建模計(jì)算，主梁位置編號(hào)見圖1.對(duì)于本橋，設(shè)計(jì)合龍溫度為8℃，實(shí)際合龍溫度在夏季高溫28℃左右，故計(jì)算中考慮合龍后降溫20℃.

圖1 主梁橋面位置編號(hào)圖

圖2～3所示分別為按設(shè)計(jì)順序、設(shè)計(jì)溫度（8℃）合龍（未考慮頂推），在成橋狀態(tài)和計(jì)入20年收縮徐變后的變形圖.

圖2 成橋狀態(tài)變形圖（未頂推）

圖3 按設(shè)計(jì)要求合龍、20年收縮徐變后的變形圖（未頂推）

有限元建模計(jì)算表明，按設(shè)計(jì)順序、設(shè)計(jì)溫度（8℃）合龍20年后，兩側(cè)邊跨、邊中跨均朝跨中方向變形，最大位移達(dá)13.6cm，這種變形對(duì)支座、橋墩根部截面以及橋墩穩(wěn)定性都是不利的.為減少長(zhǎng)期作用引起的橋墩和支座過大水平位移，延長(zhǎng)支座的使用壽命，需要在合龍前采取必要的合龍方案及頂推等措施.

2.3 合龍方案及頂推力的計(jì)算

2.3.1 合龍方案的擬定

由于該橋墩高較大，橋墩容易由于內(nèi)力過大而發(fā)生強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)破壞，必須施加合理的頂推力減小施工過程及成橋狀態(tài)的內(nèi)力，滿足高墩的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求.該橋跨數(shù)較多，存在不同的合龍方案，必須選取合理的合龍方式來確保合龍后的橋面線形良好.如果處理不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，而且可能會(huì)使主梁底曲線不順暢，形成永久性缺陷而影響外形美觀.

合龍方案（順序）的擬定應(yīng)本著"技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、操作方便"的原則進(jìn)行.由于頂推力大小與合龍方案（順序）密切有關(guān)，要求頂推后產(chǎn)生的變形既能達(dá)到20年后，支座和橋墩的變形處在較為合理的位置，又要求各主梁、橋墩等各個(gè)截面的應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求.此外，在計(jì)算頂推力及變形時(shí)，還應(yīng)考慮合龍時(shí)刻的合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度差產(chǎn)生的溫度變形值.

根據(jù)大橋的構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)、施工、主梁及橋墩的受力和變形特點(diǎn)，提出以下3種合龍和頂推方案.

方案一.合龍段按邊跨→中跨→次中跨順序進(jìn)行，根據(jù)圖2～3的變形規(guī)律，在中跨合龍和次中跨合龍前分別施加一定的頂推力，見圖4.

方案二.合龍段按邊跨→次中跨→中跨順序進(jìn)行，根據(jù)圖2～3的變形規(guī)律，中跨合龍前施加一次頂推，見圖5.

方案三.合龍段按中跨→次中跨→邊跨順序進(jìn)行，根據(jù)圖2～3的變形規(guī)律，在中跨和次中跨合龍前分別施加一定的頂推力，見圖6.

圖4 方案一示意圖

圖5 方案二示意圖

2.3.2 各合龍方案的頂推力及頂推效果

考慮到合龍后溫度的波動(dòng)、收縮徐變的長(zhǎng)久性（20年），對(duì)于按照第一節(jié)所述方法計(jì)算出的頂推量在橋墩豎直向左右平分，即最終確定的頂推量為計(jì)算出的頂推量的一半.

根據(jù)最終確定的頂推量計(jì)算出相應(yīng)溫度下的合龍頂推力，由于中跨頂推時(shí)必須2頂推力大小相等，故頂推實(shí)際取值中跨頂推力為：（P71＋P161）／2；兩邊跨頂推力分別為：（P2＋P26）／2，（P206＋P231）／2.

為了便于施工，最后施加的頂推力一般在計(jì)算頂推力基礎(chǔ)上取整.

按上述方法及處理原則，各方案的施工頂推力大小見表1，各合龍方案施加相應(yīng)頂推力后，各墩0＃塊和墩底的內(nèi)力大小見表2.

從表2可知，各方案施加頂推力后，對(duì)主梁內(nèi)力變化不大，但對(duì)橋墩，尤其是橋墩根部的彎矩得到很大程度的改善，頂推后的彎矩大概為無頂推合龍的一半.

表3為各方案施加頂推力后，成橋狀態(tài)和20年收縮徐變累計(jì)位移值.

表1 各方案降溫8℃合龍的施工頂推力 kN

表2 各方案降施加頂推力后控制截面內(nèi)力

表3 頂推合龍后成橋狀態(tài)和20年收縮徐變后累計(jì)變形 mm

3 方案比選

對(duì)于方案二，頂推次數(shù)少，只需要在兩個(gè)跨中合龍段各頂推一次.但是頂推力較大，各墩0＃塊軸壓力和彎矩較大；頂推后中跨橋墩的變形基本抵消后期變形，次中跨各橋墩不能抵消后期的變形，計(jì)算后期20年后的收縮徐變和溫差作用，仍有5cm多的“內(nèi)傾”，如果繼續(xù)加大頂推力，則橋墩墩底拉應(yīng)力很難滿足要求，且頂推力施加困難，施工不安全.

在3套方案中，方案三頂推力最小，便于施工，頂推前后橋墩底部彎矩改善明顯，但是需要兩次頂推.對(duì)于邊跨支座，次中跨合龍時(shí)頂推不會(huì)對(duì)其造成影響.合龍后僅20年收縮徐變?cè)斐傻闹ё恢锰幹髁骸皟?nèi)傾”，理論計(jì)算高達(dá)－98.86mm，如在安裝支座時(shí)，不采取措施，對(duì)支座將會(huì)產(chǎn)生極其不利的影響，嚴(yán)重威脅到橋梁的安全.且此順序頂推合龍目前應(yīng)用較少，仍有很多問題有待探討.

方案一頂推后各橋墩的變形能達(dá)到頂推的位移量要求，而且頂推力小，以較小的頂推力便能達(dá)到頂推效果要求；頂推力便于施加，操作更加安全.為了減少全橋使用中長(zhǎng)期作用下的過大縱向水平位移，延長(zhǎng)支座的使用壽命，本著“技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、操作方便”的原則，建議采用合龍方案一.但是對(duì)于邊跨支座位置處，順橋向理論計(jì)算頂推量分別為67.9，85.8mm，此頂推量對(duì)于支座變形十分不利，此時(shí)，要驗(yàn)算支座的抗剪切變形是否滿足頂推量要求.建議安裝支座時(shí)，進(jìn)行預(yù)偏，或者在支座墊板上涂抹油脂、設(shè)置滑動(dòng)支座等措施，抵消變形.

4 結(jié)束語

本文結(jié)合某大橋工程實(shí)例，提出了3個(gè)合龍方案，并運(yùn)用橋梁博士建模計(jì)算各方案的頂推力，開展了相應(yīng)的內(nèi)力與變形分析，得到如下結(jié)論.

1）六跨一聯(lián)的該大橋，其合龍順序并不是常規(guī)的從邊跨到中跨，邊跨、中跨、次中跨的合龍順序更有利于改善主梁與橋墩的變形，且能有效地改善橋墩底部的受力.

2）對(duì)于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍，多次頂推比一次頂推更合理.

3）多跨連續(xù)剛構(gòu)橋施加頂推力后，不但減小了高墩的水平偏位，增強(qiáng)了橋墩的穩(wěn)定性，而且還有效地改善了主墩的受力，特別是墩底內(nèi)力.

4）對(duì)于多跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁合龍頂推時(shí)，要驗(yàn)算支座的抗剪切變形是否滿足頂推量要求.建議安裝支座時(shí)，進(jìn)行預(yù)偏，或者在支座墊板上涂抹油脂、設(shè)置滑動(dòng)支座等措施，抵消變形.

［1］馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］MAEDA K，OTSUKA A，TAKNAO H.The design and con－struction of the Yokohama Bay Bridge［M］.Tokyo：Elsevier Science Publishers，1991.

［3］姚國文，宋文鋒，周志祥.多跨連續(xù)剛構(gòu)橋水平頂推力與合龍順序優(yōu)化［J］.公路與汽運(yùn)，2008（1）：55－58.

［4］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(bào)，2006（2）：102－106.

［5］胡清和，鄧江明，周水興，等.多跨連續(xù)剛構(gòu)橋頂推合龍方案研究［J］.中外公路，2009，29（3）：78－82.

［6］夏培華，杜 松.單樁獨(dú)柱墩多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍方案與水平頂推力研究［J］.中國港灣建設(shè)，2011（1）：48－51.