佛山市禪西大道塱沙大橋主橋中跨合攏段軸向受力分析

姜 鋒，胡 江，曹 景

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

1 概況

佛山市禪西大道是325國道改線段的重要組成部分，路線起于羅村街邊佛山機場南的省道桂丹公路（規劃橫三）處，終點位于季華路，路線全長約6.1 km。全線共設置互通立交兩座，分離式立交一座和大橋（即塱沙大橋）一座。塱沙大橋在路線樁號K1+500處上跨汾江河。

跨越汾江河主橋采用的結構是46.75m+75m+45 m變截面預應力混凝土連續梁，主跨支點處梁高4.2 m，跨中梁高2.1 m，梁底按二次拋物線y=4f(L-X)X/L2變化，箱梁由頂板形成單向2%的橫坡，梁高均為結構中心高度。箱梁為單箱雙室截面，箱底寬12.25m，箱頂寬19.25m，箱梁翼緣寬度每側均為3.5 m，箱梁頂板厚度一般為25 cm，中墩支點處取55 cm；箱梁腹板厚度取用55 cm，中墩支點截面除0#號塊外為80 cm，0#塊截面為90 cm，邊墩支點截面為80 cm；箱梁底板厚度變化范圍從25～60 cm，中墩支點處取90 cm；翼緣板端厚度為20 cm，中間折點處厚度為35 cm，根部厚度為60 cm。

主橋平立面、跨中斷面、支點斷面見圖1～圖3。

2 中跨合攏設計

2.1 中跨合攏工藝

由于是中跨合攏段，合攏段兩端的梁體都是T構懸臂端。懸臂端的自由度比較大，在溫度、日照等因素的作用下，會發生軸向收縮、豎向撓曲、水平偏移。在混凝土強度未達到設計要求、合攏段預應力鋼束未張拉之前，以上種種變形會導致合攏段混凝土的開裂。因此，必須采用有效的措施來保護合攏段混凝土，避免其開裂破壞。

為了保護合攏段混凝土，設計在合攏段處采用了外剛性支撐的合攏鎖定裝置。此種裝置是在箱梁的頂、底板的頂面預埋鋼板，設置反力座，并將外剛性支撐焊接在其上，依此共同鎖定合攏口（見圖 4）。

安裝鎖定裝置后，由于溫度升高梁體伸長而產生的壓應力將主要由鎖定裝置承擔，避免了合攏段混凝土承受較大的壓應力。同時，在合攏段設置縱向臨時預應力鋼束，并進行張拉，以預壓力來抵消兩端因溫度降低而縮短所產生的拉力（見圖5）。

這樣通過設置合攏鎖定裝置和臨時預應力鋼束，避免了合攏段混凝土在強度達到設計要求前承受較大的拉、壓力，使其得到了有效的保護。

2.2 中跨合攏段縱向受力計算

在中跨未合攏前，為保證結構穩定，兩個中墩支點處的支座約束都應為固結約束，墩身無位移。軸向受力簡圖如圖6所示。

因梁體與合攏段連接鋼材協同變形，故可取ag=ah，

所以△Lt＝ag△t(Lg+2Lh)=ah△t L

溫度升高時梁體膨脹，而梁體兩端固結，故兩端會產生約束軸向力N，N使梁體產生得變形為：

圖1 主橋平立面（單位：cm）

圖2 跨中斷面（單位：cm）

圖3 支點斷面（單位：cm）

根據變形協調原理，△Lt＝△Ln，所以：

式中：N——梁體溫度變化時所受得軸向力；

ah,ag——分別為混凝土和鋼的線膨脹系數；

L，Lg，Lh——分別為合攏段總長及懸臂段總長和合攏口的鋼支撐長度；

Eg，Eh——分別為鋼和混凝土的彈性模量；

Aih—— 箱梁第i段的平均面積；

Lih——箱梁第i段的分段長度。

Lh共分15段，分段示意見圖7。

各分段參數見表1。

連接鋼材面積：連接鋼材采用I40工字鋼，單根面積為10 211.2 mm2，共36根，

圖4 鎖定裝置構造圖（單位：cm）

圖5 合攏鋼束布置圖（單位：cm）

圖6 縱向受力簡圖

圖7 梁體分段示意圖

表1 梁體分段參數表

故中跨合攏鎖定后，梁體溫度每變化1℃，將會產生555.5 t的內力，若晝夜溫度相差10℃，取Δt＝10℃ 計算得：

如此大的內力無論是對梁體還是連接鋼材來說都是非常不利的，因此合攏口的鎖定必須快捷迅速完成，在鎖定前做好一切準備工作，以減少鎖定時間。鎖定后立即解除一側中墩支點的固結約束，使梁體能夠自由伸縮。

2.3 合攏鎖定裝置及合攏段臨時預應力鋼束受力計算

鎖定完成解除一側固結約束后，溫度變化再引起梁體伸縮，當收縮力大于中墩的摩阻力時，梁體就能自由滑動，收縮力就不會加大，所以梁體及合攏段所受的最大溫度內力等于梁體與支座之間的摩阻力。中墩施工階段最大的恒載反力為42 000 kN，對于盆式橡膠支座摩擦系數取0.06，故：

合攏段所受最大降溫拉力 F＝42 000×0.06＝2 520 kN

為保證合攏段混凝土不受拉，確保混凝土的澆筑質量，需張拉臨時鋼束以抵消這部分拉力，故：

臨時鋼束的張拉力Ny>F＝2 520 kN

底板臨時鋼束不再另外增加新的鋼束，采用2根底板束Y2（12φ15.2）鋼束，合攏時將其張拉35%的張拉控制力即為：2×12×139×1 860×0.35×0.001＝2 171.8 kN

頂板臨時鋼束采用4根3φ15.2鋼束，合攏時將其張拉制力即為70%的張拉控制應力即為：4×3×139×1 860×0.7×0.001＝2 171.8 kN

故總的臨時鋼束力Ny＝2 171.8+2 171.8＝4 343.6 kN，考慮30%的預應力損失，故：

Ny＝3 040.5 kN，安全系數 γ=3 040.5/2 520=1.21。

當升溫時，合攏段梁體所受的最大的伸張力也應與梁體與支座間的摩阻力相同，故：最大張力P＝2 520 kN。

為了保護合攏段混凝土，必須設置剛性支撐裝置抵抗此力，同時臨時鋼束的張拉力也要由剛性支撐裝置抵抗，故：

剛性支撐裝置所受最大壓力N＝P+Ny＝2 520+4 343.6＝6 863.6 kN

故剛性支撐最大截面=6 863.6×1 000/(3 676.032×10 000)<140 MPa

3 結論

通過以上對中跨合攏段的分析計算，可以得出以下結論：

（1）中跨合攏段的施工必須配合使用合攏段鎖定裝置及合攏段臨時預應力鋼束。只有采用了上述措施，才能使合攏段混凝土在澆筑初期得到有效的保護。

（2）必須減少合攏段的鎖定時間，在鎖定之前應做好合攏裝置焊接及臨時鋼束張拉的準備工作。在合攏口鎖定后，為避免梁體出現較大的內力，應立即釋放一側的固結約束，使得梁的另一端在鎖定裝置的連接下能夠自由的伸縮。

（3）合攏段的施工應選在風力很小且溫度變化幅度較小的深夜進行。第一，夜間溫度變化幅度較小，對合攏段受力更加有利；第二，由于夜間溫度相對較低，合攏段混凝土澆筑完成后，溫度將會逐漸升高，合攏段混凝土將逐漸承受壓力，這對于合攏段的混凝土的受力較為有利；第三，由于夜間沒有日照，且風力較小，避免了合攏段混凝土在澆筑初期發生豎向撓曲及橫向水平變形。

（4）若合攏段混凝土在夜間進行澆筑，則合攏段的臨時鋼束應在合攏段混凝土澆筑的第二天溫度回落前進行張拉。此時溫度開始降低，梁體開始收縮，此時進行預應力的張拉，預應力的利用效率最高。

（5）合攏段的混凝土宜比梁體提高一個等級，并要求采用早強微膨混凝土。