連續剛構橋合攏施工頂推力研究

摘要：基于某連續剛構橋開展研究，通過有限元分析軟件Midas/Civil進行建模，計算分析橋梁的頂推位移及其影響因素。通過改變頂推力確定其與頂推位移的關系，以此為基礎計算背景橋梁的頂推力。通過改變合攏溫度分析其與頂推力的聯系，計算頂推力與合攏溫差的關系。最終通過綜合考慮水平位移以及合攏溫差的方式，得出合攏時的頂推力。為使所得結果更加完整可靠，額外研究了合攏頂推力與橋梁位移與內力的聯系。

關鍵詞：連續剛構橋;有限元模型;頂推力;主墩內力

0" "引言

隨著交通網絡的不斷發展，具備不打擾橋下交通、施工周期較短等優點的頂推施工，被廣泛應用到橋梁工程中。頂推施工起源于奧地利1959年修建的Ager橋梁[1]，隨著時間不點延續，相關施工項目的規模不斷擴大，相關技術不斷完善。如墨西哥9000t、1208m長的Chiapas橋，即通過頂推法完成建造[2]。國內的望城溈江橋則采用多點頂推的施工方式完成施工[3]。

在相關研究方面，貢保甲等人通過推導公式，進一步研究了頂推力的計算方法[4]。胡清和等人通過有限元建模分析的方式，研究了頂推力和位移的關系[5]。當前橋梁工程中應用頂推法進行施工的越來越多，為確保橋梁施工的安全性，有必要對其進行進一步的分析研究。

1" "工程概況

某橋梁全長1537m，主橋橋墩130m有的高度，上部結構為預應力混凝土連續剛構，單箱單室的截面類型。基于該橋梁所劃分的設計施工階段構建相應的模型。全橋單元共290個，主梁單元共有187個，橋墩單元共有103個，以梁單元進行橋梁模擬，橋墩與零號塊以剛性連接進行固結。橋梁有限元模型如圖1所示。

2" "合攏頂推力影響因素

通過液壓千斤頂等在橋梁懸臂最大的位置施加反向水平推力，讓橋墩出現朝向外側的預先偏位，再焊接上勁性骨架保留所施加的力即合攏頂推。在連續剛構橋中，其主梁固結住橋墩，在跨中完成合攏之后就能成功轉換體系。

主梁在各種影響因素的長期作用下，會在跨中位置出現一定位移。針對主梁下撓以及朝向跨中產生位移的問題，并不能僅僅通過控制施工時的立模標高來解決。施工時，為使主梁結構不利的次內力有所減小，使用相應的措施進行控制必不可少。合適的懸臂端頂推力，既能在一定程度上使橋梁結構的內力以及橋梁線形得到優化，也能有效控制施工成本。

2.1" "頂推位移

一般情況下，墩頂縱向水平位移包括成橋累積位移（S1）、溫度位移（S2）、收縮徐變位移（S3）。對于混凝土收縮徐變導致的位移而言，因其需要較長時間完成，如果先以100%進行頂推，則橋梁在頂推之后的反向位移較大，對于橋梁彎矩而言較為不利，容易出現混凝土開裂等病害[6]，因此僅以70%混凝土的收縮徐變進行頂推。

合適的頂推力可以有效避免預應力混凝土橋梁在各因素影響下出現縱向水平位移[7]。應用所建立模型，即可模擬橋梁墩頂在各因素影響下的縱向水平位移。橋墩墩頂縱向水平位移如表1所示。

2.2" "頂推力與頂推位移的關系

在合攏位置施加不同的頂推力，對所產生的位移進行分析，水平推力不同時，下墩頂縱向水平位移值如表2所示。

由表2可知，在頂推力每上升100kN時，12#墩位置的位移約有2.10mm的變化量，即每單位頂推力約為0.0210mm/kN。

同理，13#墩的單位頂推力約為0.0743mm/kN、15#墩的單位頂推力約為5.71mm/kN的單位頂推力，16#墩的單位頂推力約為0.0206mm/kN。

由此可得，各橋墩所需施加的頂推力與位移間的關系為：12#墩需施加2881.4kN，13#墩需施加443.2kN，15#墩需施加462.1kN，16#墩需施加3085.4kN。

為確保14#不出現偏位等情況，兩中跨合攏段（P13-15）的頂推力取值如下：

P13-15=（443.2+462.1）/2=452.65kN" " " " " " "（1）

兩次中跨合攏段（P12-16）頂推力取值如下：

P12-16=（2881.4+3085.4）/2=2983.4kN" " " " " " （2）

2.3" "合攏溫度對頂推力的影響

一般條件下，設計合攏溫度與現場合攏溫度并不一樣，兩者存在一差值△T。當該差值大于0時為高溫合攏。此時墩頂水平位移將向跨中發展，與混凝土收縮徐變位移方向一致，所增加的位移量需通過提高頂推力的方式進行抵消。當該差值小于0時為低溫合攏，此時墩頂水平位移方向遠離跨中，需降低頂推力。

通過數值模擬進行分析可知，墩頂縱向水平位移與合攏溫度存在較大關系，且兩者表現為線性聯系。不同溫差下的頂推力如表3所示。

合攏溫差和頂推力間存在線性聯系[8]。中跨小里程13#號橋墩的頂推力，在溫度上升1℃時需提高17.8kN;中跨大里程16#橋墩的頂推力，在溫度上升1℃時需提高17.9kN;次邊跨小里程12#橋墩的頂推力，在溫度上升1℃時提高120.3kN;次邊跨大里程16#橋墩的頂推力，在溫度上升1℃時提高117.8kN。據此可計算出溫度變化時，12#、16#橋墩頂推力需調整的數值為119.1△T，3#、15#橋墩頂推力需調整的數值為17.8△T。

2.4" "年平均相對濕度對頂推力的影響

研究在年平均相對濕度不同時對頂推力所產生的影響。不同年平均相對濕度下，墩頂縱向位移如表4所示。

由表4可知，不同的相對濕度條件下，頂推位移與溫度效應間的關系與之前的研究基本保持一致。綜合考慮8℃溫差之下導致的位移與頂推力需要調整的大小，計算出頂推力與年平均相對濕度間的關系。不同年平均相對濕度下頂推力取值如表5所示。

由表5可知，年平均相對濕度與頂推力間存在線性聯系，合攏段頂推力隨著不斷增加的年平均相對濕度，表現出不斷降低的規律。原因在于混凝土的收縮徐變受到影響，年平均相對濕度與其存在反比例關系，即年平均相對濕度越大，縱向水平位移越小，頂推力也越小。次邊跨合攏段以及中跨合攏段的頂推力，在每次上升5%的年平均相對濕度時，分別降低4.13%和5.35%。故地區不同時，計算類型相同的橋梁在合攏頂推力過程中，需考慮所在地的年平均相對濕度。

2.5" "最終頂推力

綜合考慮上述各類影響因素，可知次邊跨合攏段（P12-16）的頂推力計算如下：

P12-16=2983.4+119.1△T" " " " " " " " " " " （3）

中跨合攏段（P13-15）的頂推力計算如下：

P13-15=452.65+17.9△T" " " " " " " " " " " " （4）

此橋梁設計溫度為12℃，合攏溫度20℃的，即溫差為8℃，帶入計算可得，中跨合攏段（P13-15）的頂推力為595.85kN，次邊跨合攏段（P12-16）的頂推力為3936.2 kN。從便于施工的角度出發進行考慮，分別取整，即595kN以及3940kN。

3" "合攏頂推對橋梁結構變形及受力影響

要想完整準確的分析頂推力，除了考慮墩頂縱向水平位移之外，還需考慮橋梁變形及受力。

3.1" "合攏頂推對主墩位移的影響

對比分析墩頂縱向水平位移，在未加入頂推力以及加入3940kN次邊跨頂推力、596kN中跨頂推力的情況。不同工況時墩頂縱向水平位移如表6所示。12#、13#、15#和1#墩的頂推位移量占各自總位移量的比例，分別為72.4%、73.8%、72.0%以及65.3%。墩頂在施工完頂推后有21.1mm的最大偏位值，墩頂的縱向水平偏移得到較好的控制。

3.2" "合攏頂推對主墩內力的影響

從墩底彎矩上看，12#、13#、15#和16#墩在成橋10年后的彎矩，約分別降低了39.0%、55.0%、48.6%和40.5%。分析原因在于合攏段頂推施工時，需將中墩偏位控制在一定范圍內。

從墩底軸力上看，頂推力對16#的抵消幅度為1.53%，為最大值;而12#墩軸力增幅最大，約為2.0%，對墩底受力而言均未產生較大影響。從組合應力上看，頂推力施加后應力均有所降低。

4" "結語

基于某連續剛構橋開展研究，本文通過有限元分析軟件Midas/Civil進行建模，計算分析橋梁的頂推位移及其影響因素。通過以上對連續剛構橋合攏施工頂推力的分析，得出以下結論：

頂推力的施加能夠使連續剛構橋梁的墩頂縱向水平位移有效降低，確保橋墩以豎直狀態受力，對橋墩受力有一定的改善作用，能夠確保長期使用狀態下橋梁保持穩定。表明該類型橋梁合攏施工時加上頂推力非常有必要。

橋墩偏差和頂推力受合攏溫差影響較大。對于8℃的溫差，12#墩以及16#墩為抵消溫度效應產生的影響，約需增加24.5%的頂推力;13#墩以及15#約需增加21.4%的頂推力。故應重視溫度效應對頂推力計算所產生的影響。

分析成橋階段的墩頂縱向位移時，因混凝土收縮徐變需要較長的時間，若所施加的頂推力開始就以100%進行，則對墩底受力較為不利，容易引起混凝土開裂，建議以70%進行施加。

頂推力受年相對平均濕度的影響較大，因此橋梁建造時應根據地區的不同考慮添加進不同的年相對平均濕度。

參考文獻

[1] Shushkewich K.W.Simplified equivalent loads of prestressing[J].Journalof Structural Engineering ASCE，1991，117（11）：3538-3542.

[2] Grant A.Incremental launching of concrete structure[J].AC I Journal，1995，72（8）：305-402

[3] 湖南省交通廳編輯.湖南望城溈水大橋技術總結[M].長沙：湖南省交通出版社，1982.

[4] 貢保甲，劉世忠，趙瑤琴.沱江大橋中跨合攏的頂推施工控制分析[J].蘭州交通大學學報， 2013，32（3）：26-29.

[5] 胡清和.多跨連續剛構橋構造分析及合攏技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[6] 廖豐.連續剛構橋梁中跨合攏勁性骨架頂推施工技術[J].城市道橋與防洪， 2018（3）：133-135.

[7] 楊裕成.大跨徑連續剛構橋中跨合攏頂推施工研究[J].交通世界，2017（24）：96-97.

[8] 雒帥.高墩大跨PC連續剛構橋合攏頂推控制[D].西安：長安大學，2013.