大跨度預應力連續剛構橋合龍頂推力計算方法研究

蘭州交通大學 土木工程學院 甘肅蘭州 730070

摘要：大跨度預應力混凝土連續剛構橋在成橋后混凝土收縮徐變及溫度變化將對主梁及橋墩的變形和內力產生影響。以長寧河特大橋為工程實例，闡述了如何確定連續剛構合龍頂推力的大小，并且通過有限元軟件分析了頂推前后連續剛構橋的受力特性，結合現場實測值的比較分析，結果表明合理的頂推力能有效改善橋墩受力。

關鍵詞：連續剛構橋；合龍；頂推力；受力特性

1.工程概況

長寧河特大橋是黃韓侯鐵路線上的一座預應力混凝土連續剛構梁橋，跨徑組合為60m+100 m+100 m+60 m。設計為雙線，箱梁采用單箱單室變高度直腹板箱梁截面，墩頂處梁高7.4m，合龍段及邊跨現澆段梁高4.5m，梁底曲線為二次拋物線，箱頂寬為12.5m，箱梁底寬為6.8m。該橋主墩6#、7#、8#橋墩采用圓弧端矩形空心墩，其中6#墩高60m、7#墩高72m、8#墩高63m。主梁混凝土A0梁端采用C50纖維混凝土，其余采用C50號，墩身混凝土為材料分界線以上為C50號、以下為C45號。該橋箱梁采用懸臂澆筑法施工，合龍順序為先中跨合龍再進行邊跨合龍。橋型布置圖見圖1。

圖1 黃韓侯長寧河特大橋主橋橋型布置圖

2.頂推力目的

懸臂施工的連續剛構橋，在施工及營運過程中受到混凝土收縮徐變及溫度變化等因素的影響會使梁體產生豎向位移、水平位移及附加內力，造成主墩的偏位，對主墩受力不利。為了優化橋梁結構受力狀況，在連續剛構橋中跨合龍時對梁體施加水平頂推力，給主墩施加一個反向位移，來抵消收縮徐變及溫度變化等因素引起的主墩水平位移。

3.合龍頂推力理論計算

3.1計算模型

本文運用Midas civil有限元軟件按照施工順序建立橋梁計算模型，采用梁單元，全橋共123個梁單元，邊界條件為6#、7#、8#主墩墩底固結，主梁與墩頂剛性連接，兩邊跨端部設置活動支座。計算模型見圖2。

圖2 黃韓侯長寧河特大橋空間分析有限元模型

3.2計算合龍頂推力

3.2.1墩頂水平位移量確定

對黃韓侯長寧河特大橋進行有限元分析計算，由midas有限元軟件計算在施工、營運下主墩由于梁體混凝土收縮徐變及溫差引起的水平位移，結果見表1，表中數據以北塬至芝陽方向為正。

表1 混凝土收縮徐變引起的墩頂水平位移值

混凝土收縮徐變引起的墩頂水平位移值/mm

6#橋墩7#橋墩8#橋墩

位移值38.440.07-38.29

3.2.2頂推力計算結果

在合龍段對梁體施加水平頂推力，消除由于施工、營運下主墩由于梁體混凝土收縮徐變及溫差引起的水平位移，同時也部分消除了結構附加的應力。具體的計算中，首先，可根據已建的類似橋梁施工中施加的頂推力，初定橋梁頂推力大小。下一步，分析得到初定頂推力作用下，梁體頂推后的縱向位移、梁體應力、墩的受力和成橋后梁體應力。接著，根據初定頂推力作用下全橋的受力情況調整頂推力大小。最后，通過綜合比較梁確定合理的頂推力。這種方法計算頂推力時，是以墩頂的位移量來控制頂推力，并且通過有限元程序分析多次試算確定。

通過有限元軟件反復幾次試算和比較后，確定該橋合龍時的頂推力為4000kN，使得各墩墩頂的水平位移的累計值與收縮徐變產生的墩頂水平位移值相抵消計算結果見表2。

表2 施加頂推力引起墩頂水平位移值

施加頂推力引起墩頂水平位移值/mm

6#橋墩7#橋墩8#橋墩

理論位移值-39.330.0738.83

實測平均位移值-37.00/35.00

由表1與表2的數據相比較，由于混凝土收縮徐變引起的墩頂的水平偏位與施加4000kN頂推力所引起的理論墩頂水平偏位在數值上基本相等，方向相反，一般偏差在1mm以內，施加頂推力后實測數據與理論數據相差不大，說明施加4000kN的頂推力能達到預期的效果。

3.2.3頂推力的實現

在實際懸臂施工過程中，一般不便在箱梁截面形心處施加頂推力，故在梗肋處施加，施加的頂推力P將對箱梁截面形心產生偏心外力矩Pe，其中e為頂推力P的偏心矩。因此，在有限元模型計算中，需考慮水平頂推力和偏心外力矩共同作用下的水平偏位值。

按設計的合龍施工順序，首先同時合龍6號墩與7號墩，7號墩與8號墩之間兩個中跨，再合龍邊跨。其中只在合龍次邊跨的時候考慮頂推力，邊跨合龍不考慮頂推力。黃韓侯長寧河特大橋合龍頂推在晚間低溫進行狀態進行，使頂推時梁體溫度接近于橋梁設計年平均溫度，以減少合龍溫差對合龍段的影響，為了保證合龍頂推時橋梁的安全性，頂推過程中按照同步、逐級加載的原則，當四臺千斤頂均加載至4000kN時，停止加載，然后焊接合龍段勁性骨架，鎖定合龍口，再拆除千斤頂，頂力轉移撐桿，這樣可將頂推力存儲于梁體。

4.頂推力前后受力分析

進行合龍的目的就是為了消除由于混凝土收縮徐變及溫度變化等因素對結構產生的附加次內力和主墩水平位移。將黃韓侯長寧河特大橋在不施加頂推力與施加頂推力前后的梁體應力及橋墩內力變化作比較，僅列出部分控制截面的理論應力（表3），實測應力（表4）及主墩內力變化（表5），其中本橋應力所用測試元件為常州金土木工程儀器有限公司生產的振弦式應變儀和JTM-V10A型測讀儀等。

4.1無頂推與施加頂推后主梁應力比較

表3 成橋狀態下無頂推與施加頂推后主梁控制截面理論應力

項目：成橋理論應力邊跨1/26#墩右側6#墩左側中跨1/27#墩右側7#墩左側

無頂

推力上緣左側-6.81-6.06-8.15-4.42-6.50-6.71

上緣右側-7.03-6.21-7.98-4.54-6.70-6.50

下緣左側-6.49-6.08-3.50-5.76-4.82-4.69

下緣右側-6.37-5.99-3.60-5.69-4.70-4.81

頂推力上緣左側-6.82-6.06-8.00-4.27-6.38-6.60

上緣右側-7.03-6.21-7.83-4.39-6.59-6.39

下緣左側-6.47-6.06-3.51-5.56-4.78-4.65

下緣右側-6.34-5.97-3.61-5.49-4.66-4.78

表4 成橋狀態無頂推與施加頂推后主梁控制截面實測應力

項目：成橋實測應力邊跨1/26#墩右側6#墩左側中跨1/27#墩右側7#墩左側

無頂推力上緣左側-6.37-6.61-7.74-4.76-7.02-6.43

上緣右側-6.03-6.87-7.55-4.91-7.00-6.25

下緣左側-6.21-5.89-3.39-5.22-4.54-4.43

下緣右側-6.15-5.97-3.26-5.48-4.15-4.22

頂推力上緣左側-6.56-6.11-7.65-4.67-6.65-6.56

上緣右側-6.43-6.13-7.35-4.31-6.52-6.21

下緣左側-6.20-6.01-3.16-5.21-4.12-4.21

下緣右側-6.22-6.05-3.31-5.65-4.01-4.03

從表3、表4可以看出無論頂推與否，主梁理論與實測應力變化很小，邊跨控制截面頂推后上緣與下緣應力有所增加，中跨控制截面頂推后上緣與下緣應力有所減小，并且都在規范容許值范圍內，所以頂推力的施加對主梁的應力影響不大。