邊中跨同時合龍對高墩大跨連續剛構橋性能影響分析

黃文潔,田仲初,薛飛,文八斤

(1.長沙理工大學 土木工程學院,湖南 長沙 410114；2.中交一公局一公司,北京 102200)

合龍段施工是剛構橋施工階段至關重要的工況,合龍質量在一定程度上決定成橋運營后的整體質量。貴州某大橋主橋施工中采用邊跨和中跨同時合龍,避免逐次合龍時的多次結構體系轉換及應力重分布等問題。該文對比分析邊中跨同時合龍和逐次合龍時成橋工況、運營10年后各結構部位的受力狀態及線形情況,并對合龍前頂推力進行優化計算,確保大橋能在節省工期和降低成本的前提下順利安全合龍。

1 工程概況

貴州某大橋主橋整幅橋寬24.5 m,半幅橋寬12.125 m,左右幅間距0.25 m。主橋是邊中跨比為0.533的變截面連續剛構橋,跨徑組成為80 m＋150 m＋150 m＋80 m。為簡化設計,各墩按路線中心線共劃分為17對箱梁梁段,0＃塊采用托架現澆,1＃～17＃塊采用三角掛籃對稱懸臂泵送砼現澆施工,單幅四跨每個合龍段長度均為2.0 m。下部結構的8＃、9＃、10＃主墩為墩身高度依次為89.6、135.9、90.2 m的雙肢空心薄壁墩,墩頂橫向風撐連接可增強其整體穩定性；底部全部采用樁基礎。主橋立面布置見圖1。

圖1 貴州某大橋主橋立面布置(單位：cm)

施工中嚴格遵循完全對稱的原則。主橋合龍方案為邊跨和中跨同時合龍,為防止橫向風撐開裂,橋梁左右幅同時頂推,然后進行勁性骨架鎖定并同時澆筑合龍。

2 有限元模型建立

主橋的整體結構分析和箱梁橫框架的施工過程仿真模擬均使用MIDAS/Civil綜合程序。由于左右幅參數相同,任取一幅進行建模分析。將主橋整體簡化成平面桿系結構進行離散化分析,全橋共劃分為223個節點、212個梁單元。模型的邊界條件為下部結構墩底節點全固結約束,與引橋相銜接的主橋兩外端支座處約束Z方向平動自由度,采用彈性連接中的剛性連接模擬橋墩與主梁的固結狀態。全橋結構有限元模型見圖2。

圖2 橋梁結構有限元模型

3 受力分析

3.1 橋墩應力分析

多跨連續剛構橋由最初的靜定單T構到成橋時的超靜定結構,邊中跨同時合龍下結構只需進行一次體系轉換,而逐次合龍下結構需經過多次體系轉換。對該橋主橋在兩種合龍成橋順序下橋墩應力進行分析對比,結果見表1。

表1 不同合龍順序下橋墩最大應力 MPa

由表1可知：各橋墩在同時合龍與逐次合龍方案下的最大應力較接近,原因是成橋前各合龍段的施工順序對成橋后各墩最大應力影響不大。應力相差最大的是10＃墩后肢,相差4.23%；應力相差最小的是9＃墩后肢,相差0.65%。兩種方案下,8＃墩前肢、10＃墩后肢的最大應力相應比8＃墩后肢、10＃墩前肢的大,這是頂推力作用的結果。

3.2 主梁應力分析

不同合龍方案下主梁的最大應力見圖2、表2。

圖3 不同合龍順序下主梁最大應力對比

表2 不同合龍順序下主梁最大應力

由圖2、表2可知：邊中跨同時合龍方案下,主梁的最大應力為右中跨3L/4箱梁上緣位置的壓應力12.90 MPa,主梁未出現拉應力；邊中跨逐次合龍方案下,主梁的最大應力為左中跨3L/5箱梁上緣位置的壓應力12.70 MPa,主梁未出現拉應力。出現最大應力的位置不同,但大小相差不大,主梁的最大應力均在規范允許范圍內,結構強度滿足要求。不同合龍方案下主梁最大應力的最大差值為0.30 MPa,相差2.50%,出現在左中跨L/3附近處箱梁上緣。成橋工況下主梁的最大應力不會因為合龍方案不同出現較大波動,且兩種合龍方案都切實可行。

4 線形分析

大跨度箱梁懸臂對稱澆筑施工時,撓度控制非常重要。為確保橋面平順,以便成橋后順利進行二期鋪裝層施工,需嚴格控制梁截面高度、橫坡坡度及砼表面的平順性。合龍段施工前,需在各靜定單T構的最后幾個懸臂節段立模前進行全橋標高聯測,根據現場實測標高對比理論值來調整最后幾個最大懸臂狀態節段的立模標高,確保合龍段與現澆段之間的精準對接。

4.1 主梁成橋線形分析

該橋主跨跨徑達150 m,最大懸臂長度68 m,合龍段施工關系到立模時各節段總預拱度的設置,還影響運營階段箱梁結構的受力安全。對兩種合龍方案下主梁合龍成橋工況的線形進行對比分析,結果見圖4(“＋”代表垂直向上,“－”代表垂直向下)。

圖4 不同合龍順序下主梁成橋線形對比

由圖4可知：合龍成橋工況下,主梁在邊中跨同時合龍方案下的最大豎向位移為－56.21 mm,逐次合龍方案下的最大豎向位移為－54.26 mm,相差3.48%,出現在右邊跨接近合龍段位置。由于各墩高度不同,豎向位移差值較大的是左中跨跨中和右中跨跨中位置,兩方案下的最大差值達14.50 mm,出現在右中跨跨中位置,其余位置豎向位移差值都很小。主梁在成橋工況下的結構線形與合龍順序關系密切。

4.2 主梁砼10年收縮徐變后線形分析

鑒于連續剛構橋的體系特征,主梁砼因材料特性原因在長期收縮徐變作用下其結構受力與整體線形將發生重大變化。分析砼完成10年收縮徐變作用后,主梁在結構自重、二期荷載、均勻升降溫和正負溫度梯度荷載、預應力荷載、砼收縮徐變等荷載組合作用下的線形情況,結果見圖5。

圖5 不同合龍順序下主梁10年收縮徐變線形對比

由圖5可知：在砼10年收縮徐變作用后,邊中跨同時合龍方案下主梁最大豎向位移為－61.72 mm,逐次合龍方案下最大豎向位移為－59.45 mm,且都出現在左中跨3L/5處；左中跨跨中及右中跨跨中位置的位移存在較大差值,最大豎向位移差值出現在右中跨跨中位置,達13.87 mm。主梁結構線形因不同合龍順序會由于砼10年收縮徐變影響而產生較大不同。

5 頂推力優化分析

橋梁結構從最大懸臂端到全橋合龍的過程中發生體系轉換,各梁段在底板預應力筋張拉、降溫變化及后期結構砼收縮徐變等作用下各主墩間的箱梁長度縮減,使各主墩墩頂向跨中方向發生偏移。因此,合龍段澆筑施工前需預先對中跨合龍段兩端作用水平方向頂推力,給墩頂提供一定的預偏量來部分抵消橋墩在施工中向中跨方向發生的偏移,使橋墩趨向理想的受力狀態,保證其在運營階段不會發生受力破壞。

5.1 墩頂水平位移分析

該橋主橋橋墩均為高墩,墩身高度在一定程度上影響橋梁結構的安全性及穩定性。墩高越大,墩頂水平位移的影響越顯著。原設計為在設計合龍溫度下中跨梁段采用千斤頂頂推來調整8＃、10＃橋墩的墩身內力(左右幅橋梁同時頂推),頂推力為1 000 kN,預偏就位后邊跨及中跨立刻安裝勁性骨架進行鎖定。在未施加頂推力和頂推力1 000 kN作用下,邊中跨同時合龍方案下合龍成橋階段和砼10年收縮徐變階段各墩墩頂水平位移見表3(縱向位移以水平向左為負、水平向右為正)。

由表3可知：在頂推力作用下,成橋階段8＃、10＃墩均向邊跨方向偏移,9＃墩處于垂直狀態。隨著時間的推移,考慮砼10年收縮徐變作用,8＃、10＃墩均向中跨方向偏移,9＃墩保持垂直狀態。墩頂向跨中方向的偏移量將對橋墩結構產生附加彎矩,橋墩在偏向跨中側將出現附加壓應力,遠離跨中側出現附加拉應力,影響墩體的受力狀態和工作性能。過大的附加應力還可能造成墩體的受壓側壓潰或受拉側拉裂現象。因此,需優化頂推力,使橋墩在砼10年收縮徐變后盡量保持垂直狀態,避免附加應力對橋墩受力的影響。

表3 不同頂推力下墩頂水平位移 mm

5.2 頂推力優化分析

一般認為橋墩處于垂直狀態無偏位時,橋墩的受力狀態最有利。通過影響矩陣法,運用MIDAS/Civil建立橋梁結構頂推力模型,結合最小二乘法計算最優頂推力。設剛構橋處于線彈性狀態,無頂推力時,主墩在砼10年收縮徐變后的縱向偏位逐次為52.41、46.38、－3.89、－10.03、－61.77、－68.05 mm,即{R}＝{52.41,46.38,61.77,68.05},影響矩陣可由在1 000 kN單位力作用下砼10年收縮徐變后每個主墩墩頂的水平位移求得,[A]＝[36.43,36.59,0,0；0,0,56.21,56.06]T,將[A]和{R}代入式(1),得{T}＝{1 254.49},即優化后頂推力為1 255 kN。為論證優化后頂推力是否與實際情況相符,將頂推力1 255 kN代入程序重新進行計算,砼10年收縮徐變后各墩頂水平位移見表4。

式中：[A]為頂推力對控制目標的影響矩陣；{T}為待求的頂推力；{R}為控制目標量。

表4 頂推力優化前后縱向位移對比 mm

由表4可知：由于9＃墩受到對稱的頂推力作用,其作用效果相互抵消,優化后頂推力對其幾乎無影響；而8＃、10＃墩在優化后頂推力1 255 kN頂推作用后,主橋結構在10年后各墩的縱向偏位均在1 cm之內,最小的甚至不足1 mm。說明在優化后頂推力作用下成橋10年后主墩沒有較大縱向偏位,主墩處于有利的軸心受壓狀態,不會因為受到過大的附加彎矩而產生應力超標現象。

6 結論

(1)邊中跨同時合龍和逐次合龍順序下,各橋墩出現的最大應力較接近,即不同合龍順序對成橋后各橋墩最大應力的影響較小；不同合龍順序對主梁最大應力的影響不大,且都能滿足受力要求。

(2)不同合龍順序對主梁成橋線形將產生一定影響,在各主墩高度不同的情況下,兩種方案的最大差值為右中跨跨中處同時合龍比逐次合龍的標高高出14.50 mm；橋梁運營10年后的主梁線形也因合龍順序不同而有所差別,最大差值同樣是右中跨跨中處同時合龍比逐次合龍的標高高出13.87 mm。各節段砼的立模標高應根據不同合龍方案確定。

(3)在設計合龍溫度下,根據橋墩受力最優原則,結合影響矩陣法與最小二乘法對邊中跨同時合龍頂推力進行優化計算,優化后頂推力比原設計值大25.5%。在優化后頂推力作用下,10年后主橋8＃、10＃主墩向11＃墩方向縱向偏位均在1 cm內,主墩沒有較大的縱向偏位,處于有利的軸心受壓狀態,不會產生壓潰或拉裂現象。

(4)邊中跨同時合龍與逐次合龍方案下橋梁結構的受力和線形相差不大,都能滿足規范要求。邊中跨同時合龍方案可行,可作為一種合龍方式供橋梁合龍設計和施工選擇。