多跨連續剛構橋合龍頂推方案及溫差效應研究

郭偉峰

云南省交通規劃設計研究院有限公司 云南 昆明 650011

1 引言

預應力混凝土連續剛構橋作為一種結構受力明確、設計與施工工藝成熟、行車舒適的橋型，在120m～240m跨徑之間具有良好的適用性,極大填補了普通梁橋與大型拱橋及特大型索橋之間的空白。連續剛構橋采用墩梁固結形式，成橋后橋墩參與受力。隨著跨數的增加，超靜定次數增加，混凝土的收縮徐變作用[1]及合龍時的溫差效應會使剛構橋各固結墩向跨中方向產生永久性位移，在墩底產生較大彎矩，并使主梁發生跨中下撓，影響行車舒適性。為降低橋梁運營期內發生上述病害的影響，可在合龍前對梁體進行反方向頂推，以抵消成橋后溫度下降及混凝土長期收縮徐變產生的永久內力及變位。

文章結合某工程實例，針對多跨連續剛構橋合龍及頂推方案及合龍時溫差效應進行研究。

2 工程背景及有限元模型

某大橋跨越河谷，河谷最低處距橋面187m。該橋橋跨布置為3×30+2×30+（96+3×180+96）+2×30+2×30m，其中主跨為五跨一聯預應力混凝土連續剛構橋（圖1）。設計荷載為公路-Ⅰ級，全橋處于單向-0.8%的縱坡上。

圖1 橋型布置圖

上部結構懸澆梁采用單箱單室結構，箱梁頂寬為12.55m，底寬為7m，懸臂長度為2.775m。箱梁根部梁高為11m，跨中梁高為3.8m。預應力混凝土箱梁高度按1.8次拋物線變化。下部結構6號（76m）、9號（91m）主墩采用雙肢空心薄壁墩；7號（176m）、8號（170m）主墩采用組合式橋墩。組合式橋墩上部為雙肢空心薄壁墩，下部為箱型截面。

3 合龍及頂推方案確定

針對該橋，文章提出以下4種合龍方案，并均在中跨及次中跨合龍前對主梁懸臂端節點進行頂推，各合龍及頂推方案如下：

合龍方案一：（CBA）先邊跨C，再次中跨B，最后中跨A合龍。

合龍方案二：（CAB）先邊跨C，再中跨A，最后次中跨B合龍。

合龍方案三：（ACB）先中跨A，再邊跨C，最后次中跨B合龍。

合龍方案四：（ABC）先中跨A，再次中跨B，最后邊跨C合龍。

3.1 頂推位移量的確定

假定以上4個合龍方案均按照設計溫度進行合龍，計算得到得到各合龍方案主橋成橋10年后、因混凝土收縮徐變產生的墩頂水平位移、在各作用下累計墩頂水平位移，如表1所示。墩頂水平位移采用墩頂相應主梁截面水平位移。

表1 不頂推合龍時主橋成橋10年后墩頂水平位移（mm）

計算結果表明：（1）不同合龍順序對墩頂水平位移（因混凝土收縮徐變產生）基本沒有影響；（2）對于各作用下累計墩頂水平位移，不同的合龍順序會產生較大差異；（3）因混凝土收縮徐變產生的墩頂水平位移占累計位移的51.5%～87.9%，混凝土收縮徐變對橋梁的影響不可忽視，應采取相應措施適當抵消其影響；（4）邊墩相對中墩來說，受混凝土收縮徐變影響更大。

理想的頂推是消除表1中的累計水平位移，使其總位移量為零，而實際上是難以實現的，也是不必要的。難以實現的原因在于由于各墩墩高不同，導致各墩最大懸臂狀態縱橋向剛度不同，進而混凝土收縮徐變效應在各墩上的表現有顯著差異，而頂推時為了保持各“T”構受力平衡，中跨合龍時兩個中墩（7號、8號）最大懸臂節點處（圖1合龍位置A處）頂推力應相等，次中跨合龍時兩個邊墩墩（6號、9號）最大懸臂節點處（圖1合龍位置B處）頂推力亦應相等。這就必須在合龍時對兩個邊墩、兩個中墩的頂推力分別進行折中。不必要的原因是若將上述水平位移量完全頂推到位，勢必造成成橋初期反向水平位移過大，這對橋梁受力是不利的。通過反復試算和比較，確定按表1中累計位移的80%水平位移量[2][3]作為頂推量。各墩具體頂推量見表2。

表2 各墩具體頂推量（mm）

3.2 頂推力計算

為確定各合龍方案頂推力，合龍時在中跨、次中跨最大懸臂端節點處施加100 kN的水平頂推力，并增加相應平衡力以保持各墩最大懸臂狀態平衡，得到4個合龍方案的位移水平增量，如表3所示。

表3 100 kN頂推力作用下各墩墩頂縱橋向位移（mm）

對合龍口處施加100kN 的初始頂推力，再根據所需頂推位移求得總頂推力。聯立表2、表3的數據，根據水平頂推力與頂推位移成正比，進行各方案合龍頂推力計算。計算結果見表4。

表4 各方案合龍時頂推力（100kN）

3.3 各方案比較分析

為對各合龍頂推方案進行分析比較[4]，將表4計算得出的各跨合龍時頂推力分別施加到各有限元計算模型中，得到各方案成橋10年后墩頂累計水平位移，如表5所示。

表5 頂推后各方案成橋10年后墩頂水平位移（mm）

從表1、表5可以看出，方案一相對于其他三個方案，成橋10年后墩頂水平位移明顯較大，且方案一從邊跨依次向中跨合龍，次中跨合龍時還須在中跨額外增加頂推力以保持“T”構平衡，施工繁瑣，該合龍方案不適用于本橋。

對于6號墩，累計位移值的絕對值越小方案最優；對于7號墩，累計位移值的絕對值越大方案最優；對于8號墩，累計位移值的絕對值越小方案最優；對于9號墩，累計位移值的絕對值越小方案最優。針對方案二、方案三、方案四，橋墩最優相應方案得分為1，其余方案根據位移比例確定得分，計算各方案得分情況見表6。

表6 各方案得分表

從表6可以看出，方案三為最佳合龍頂推方案，即先中跨，再邊跨，最后次中跨合龍。

以方案三為最佳合龍頂推方案，從模型中分別提取不施加頂推力、施加頂推力成橋10年后各墩墩底受力結果[5]見表7。

表7 成橋10年后各墩墩底受力情況

從表7可以看出，頂推與否對墩底軸力影響不大，但是可極大降低成橋后墩底順橋向彎矩，降低配筋率，提高工程經濟性。

4 溫差效應與墩頂水平位移

在運營期內，為避免降溫導致主墩向中跨跨中方向產生墩頂水平位移，橋梁應選擇在低溫時進行合龍，當實際合龍溫度高于設計合龍溫度時，應根據實際溫差增大頂推力，以抵抗溫差效應。以方案三為最優合龍方案，計算該橋在實際溫度合龍后，降溫1～10℃對成橋狀態下各墩墩頂水平位移的影響，得到各墩墩頂水平位移見表8。

表8 降溫對成橋狀態下各墩墩頂水平位移的影響（mm）

從表8可以看出，隨著成橋后溫度降幅的增大，各主墩墩頂的縱向位移越來越大，且位移方向均朝向中跨跨中。成橋時實際合龍溫度對頂推力有很大影響，橋梁合龍時應根據實際合龍溫度對頂推力進行調整以抵抗溫差效應導致的墩頂水平位移。

5 結語

本文針對多跨連續剛構橋的構造特點，結合某工程實例，通過對4個合龍頂推方案進行分析計算，得出以下結論：

（1）多跨連續剛構橋混凝土長期收縮徐變對成橋后橋梁的影響極大；邊墩相對中墩受其影響更大，因此根據橋梁制定相應的合龍頂推方案是必要的。本工程最佳合龍頂推方案為先中跨，再邊跨，最后次中跨合龍。

（2）合龍時施加頂推力不但降低運營期內橋梁墩頂水平位移，而且還有效地降低墩底彎矩，改善橋墩受力。

（3）當跨數增多及墩高發生變化時相應合龍順序及配套的頂推力應結合橋梁各“T”構剛度、各橋墩高度、全橋跨數、實際合龍溫度等因素進行分析計算。