墩高對某高速公路主跨220 m連續剛構合龍頂推力的影響分析

2024-04-29 00:00:00王杰

西部交通科技 2024年1期

摘要：大跨連續剛構合龍前頂推施工是改善全橋受力性能的重要措施。為研究墩高對大跨連續剛構頂推力的影響，文章以某高速公路主跨220 m大跨連續剛構為工程實例，分析了不同墩高下合龍溫差和收縮徐變引起的主墩墩頂順橋向位移情況，在此基礎上，得到了剛構合龍時的合理頂推力。分析方法和計算結果可為類似結構提供參考。

關鍵詞：大跨連續剛構；頂推力；合龍溫差；收縮徐變

中圖分類號：U455.462

0 引言

受橋位地形地質影響，橋梁建設的重要內容是適宜的橋型選擇。對于市政橋而言，一般跨度不大，鋼橋自重輕、景觀效果好，往往是市政橋的主要橋型形式。而在高速公路的大規模建設和交通強國的背景下，城市間互通互聯的交通網已成為激活經濟和社會發展的大動脈。我國幅員遼闊，不同區域地形地貌差異大，高速公路建設涉及各種橋型。其中，跨江跨海通道主橋橋型多選擇斜拉橋和懸索橋；跨越山區峽谷、河道等大多采用連續剛構、拱橋等橋型。相比于拱橋、斜拉橋和懸索橋而言，連續剛構適應的跨徑區間大、應用范圍廣泛，是高速公路建設的重要橋型之一。連續剛構在主墩處墩梁固結，溫度效應、收縮徐變等對全橋受力影響較大，且跨徑越大，影響越為顯著。

連續剛構服役期內收縮徐變將引起主墩向主跨方向偏位，導致跨中下撓和主墩受拉側開裂。在主跨跨中合龍段施工前，綜合考慮后期的收縮徐變，及合龍時設計溫度和實際施工溫度的差異，通常采用頂推措施對主梁向邊跨側進行頂推，以改善全橋整體受力。劉華等基于有限元方法對某高墩大跨連續剛構頂推施工進行了數值模擬［1］；曹彥青探討了永久作用和合龍溫差雙重作用下的頂推力合理取值［2］；何磊祖基于結構力學解析式方法，對三跨連續剛構理論解和實測值進行了對比研究［3］；葛利杰分析了高低墩狀態下連續剛構頂推力計算方法［4］；郭增社等探討了連續剛構中跨合龍勁性骨架安裝、頂推錨固與混凝土澆筑施工關鍵技術［5］；黃杜康基于響應面法，系統分析了連續剛構合龍頂推關鍵參數的選取并通過試驗驗證了方法的準確性［6］。目前關于連續剛構合龍頂推方面的研究較多的聚焦于固定墩高情形，且主跨大多＜200 m。基于此，本文以某高速公路主跨220 m大跨連續剛構為分析對象，對不同墩高下合龍頂推力進行了計算分析，計算結果可為類似結構的施工提供依據。

1 頂推力計算方法

目前橋梁建設中，連續剛構大多以三跨為主，中跨合龍前兩側結構受力互不干擾，考慮到邊支點可簡化為活動鉸支座約束形式，因此，合龍前取一半結構進行分析，受力如圖1所示。連續剛構合龍前受力可簡化為T構形式，根據結構力學力法原理，該結構為一次超靜定結構，X1為贅余力。

根據力法原理，設δ11和Δ1P分別為圖1中贅余力方向由單位贅余力和頂推力P引起的位移，則可得式（1）：

由式（6）可知，頂推力與主梁、主墩截面剛度、邊跨長度和墩高密切相關。通過有限元軟件計算主墩墩頂水平位移Δx，即可求得頂推力大小。

2 工程背景

某高速公路為跨越深溝，通過經濟比選，主橋采用（117+220+117） m三跨連續剛構進行施工圖設計。設計速度為80 km/h，按公路-Ⅰ級活載進行設計，橋面總寬為12.25 m。主梁采用單箱單室截面，箱梁底寬6.5 m。主墩和跨中梁高與主跨之比分別按照1/16～1/18和1/30～1/55進行取值，本次設計取13.5 m和4.5 m。跨中截面處頂板、腹板和底板厚度分別為30 cm、60 cm和32 cm，腹板順橋向由主墩處90 cm依次按照75 cm和60 cm進行兩次漸變。梁底曲線和底板厚度按照1.6次拋物線進行變化。橋型布置如圖2所示。

主墩墩高分別為145 m和160 m，按雙肢薄壁-箱型組合墩進行設計［7］。中跨跨中合龍段長度為2.5 m，全橋共劃分29個懸澆段。主梁和主墩均采用C55混凝土材料，箱梁按三向預應力設計。

3 墩高的選取

大跨連續剛構橋墩選型是此類橋型設計的重要環節，一般而言，主跨越大，墩高越高。本次進行橋墩選型時，墩高≤80 m時采用雙肢薄壁墩，墩高＞80 m后采用雙肢薄壁-箱型組合墩。橋墩截面如圖3所示，其中雙肢薄壁部分截面尺寸與單箱三室外側箱室尺寸保持一致。

當大跨連續剛構主墩墩高不一致時，往往分別計算合龍前兩主墩的頂推力，然后取平均值作為施工時的頂推力［8］。考慮到圖2中主墩墩高差異不大，為便于分析，取主墩墩高一致，保持上部結構不變，下部結構主墩墩高依次取40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m和160 m進行分析，以此研究墩高對大跨連續剛構合龍頂推力的影響。

4 分析結果

4.1 合龍溫差和收縮徐變選取情況

合龍后環境升溫對于全橋整體受力較好，因此設計時通常將合龍溫度取為低值，結合本橋橋位環境情況，設計合龍溫度為（15±5） ℃。而實際施工時，將溫度控制在設計合龍溫度內較為困難，實際溫度往往高于設計合龍溫度，根據施工現場情況，取合龍溫差15 ℃進行分析，設溫差引起的主墩墩頂位移為ΔxT。全橋收縮徐變按照10年考慮，一方面頂推時支座摩擦力會平衡一部分頂推力，另一方面收縮徐變時間漫長，合龍時完全消除收縮徐變產生的墩頂變形對全橋初期受力極為不利，根據相關研究成果［9-10］，設收縮徐變頂推位移取為0.8×0.8×ΔxS，即0.64ΔxS。因此合龍前主墩墩頂總頂推位移Δx如式（7）：

4.2 有限元分析模型

基于Midas Civil軟件，采用空間梁單元，考慮不同施工階段，按照實際結構尺寸分別建立不同墩高下的有限元模型，其中主梁共包含264個單元，下部結構為確保計算精度，單元長度取為2 m，分叉點位置采用彈性連接中的剛接進行連接，邊支點按照活動鉸支座約束形式對梁底進行約束。有限元模型如圖4所示。

4.3 不同墩高頂推力分析

由式（6）和（7）可知，確定頂推力的關鍵是求解主墩墩頂順橋向位移Δx及其主墩抗推剛度K。基于Midas Civil軟件，計算得到不同墩高下墩頂順橋向位移-頂推力變化曲線，如圖5所示。

計算得到不同墩高下頂推力與墩頂順橋向位移基本呈線性關系。整體而言，主墩抗推剛度隨墩高增大而減小，但當墩高由80 m增大至100 m時，抗推剛度降低不明顯，表明雙肢薄壁墩具有較好的柔性性能。在圖5的基礎上，進一步計算主墩在溫差和收縮徐變作用下的主墩墩頂順橋向位移，分別得到不同墩高下的K、ΔxT、ΔxS和Δx（見表1），主墩墩頂順橋向位移-墩高變化曲線如圖6所示。

計算結果表明：（1）當墩高≤80 m時合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移與墩高均呈非線性關系，當墩高＞80 m時合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移與墩高近似呈線性關系；（2）隨墩高的增大，合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移也不斷增大，但當墩高＞80 m后，墩頂順橋向位移變化趨勢變緩，這與雙肢薄壁-箱型組合墩抗推剛度變化情況密切相關。

根據主墩抗推剛度K和總頂推位移Δx，進一步計算得到墩高40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m和160 m下合龍總頂推力大小分別為7 869 kN、2 505 kN、1 086 kN、1 025 kN、881 kN、733 kN和597 kN。從合龍總頂推力變化情況來看，當墩高＜80 m時，頂推力數值過大，對合龍勁性骨架要求較高，施工風險較高，建議主跨220 m連續剛構墩高宜≥80 m。此外，通過提取不同墩高下的主墩墩底成橋10年后的彎矩發現，施加頂推力可使彎矩降低30%～60%，且高墩墩底彎矩的改善效果相比于低墩更為顯著。

5 結語

本文以某高速公路（117+220+117） m三跨連續剛構為分析對象，基于Midas Civil軟件，分析了不同墩高下由合龍溫差和收縮徐變引起的主墩墩頂順橋向位移，并得到了合龍總頂推力，主要結論如下：

（1）雙肢薄壁墩抗推剛度隨墩高的增加其數值降低較快，此時頂推總位移與墩高呈非線性關系，頂推力水平處于較高水平，不利于施工控制。

（2）當主墩墩高＞80 m后，即主墩采用雙肢薄壁-箱型組合墩，此類橋墩抗推性能較好，且隨墩高增大，主墩墩頂順橋向位移變化較為平緩，頂推力可控制在600～1 000 kN。此外，頂推力對主墩墩底彎矩改善效果較好。

參考文獻

［1］劉華，胡寶林，張若鋼，等.高墩大跨連續剛構橋合龍頂推分析［J］.黑龍江交通科技，202 45（3）：66-68，71.

［2］曹彥青.大跨剛構橋梁主梁施工關鍵技術［J］.交通世界，2022（Z1）：99-100.

［3］何磊祖.三跨連續剛構橋合龍頂推位移計算方法［J］.西部交通科技，2023（4）：118-121.

［4］葛利杰.大跨高低墩連續剛構橋合龍頂推力計算分析［J］.北方交通，2022（1）：5-8.

［5］郭增社，劉世雄，王福來，等.高墩大跨徑連續剛構橋梁中跨合龍施工技術研究［J］.建筑技術，202 53（3）：339-342.

［6］黃杜康.連續剛構橋合龍頂推施工參數敏感性分析與有限元模型修正［D］.西安：西安科技大學，2020.

［7］向亞軍.山區大跨徑連續剛構橋高墩穩定性有限元分析［J］.西部交通科技，2021（11）：120-123.