V型墩連續剛構橋合攏頂推力研究

張飛　王燕

(1.福建江夏學院　福建福州　350108；2.福建信息職業技術學院　福建福州　350000)

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V型墩連續剛構橋合攏頂推力研究

張飛1王燕2

(1.福建江夏學院福建福州350108；2.福建信息職業技術學院福建福州350000)

以福建省尤溪縣水東大橋主橋為工程背景，研究了V型墩連續剛構橋合攏頂推力的計算原則進行研究，并針對不同的合攏溫度分析了其對頂推力及結構的變形和受力的影響。結果表明，低溫合攏工況下，在結構變形方面，頂推時對主梁階段豎向變形控制有利，且成橋后主梁線形相對平順；在結構受力方面，無論是在頂推時還是成橋后，各控制截面上下緣的應力梯度相對較小，結構受力更為安全合理，頂推作用對各種因素引起的結構次內力消除效果較好。

V型墩；頂推力；合攏溫度

1　工程概況

福建省尤溪縣水東大橋為省道304線火甲坑至尤溪城關公路改建工程中一座公路橋梁。其水東村側主橋(K6+658.2～k6+872.2)布置一聯42+2×65+42mV型墩預應力連續剛構橋如圖1所示，全長214m，橋寬24m(雙幅)。上部結構以變截面連續梁為主體，橫橋向為分離雙箱梁，下部配以V型腿剛構共同受力。V型斜腿根部連接一段豎墩，于是形成Y型墩，其工作性能與V型墩基本相同。

該橋先在支架上整體澆筑V型墩和0#塊，然后采用掛籃設備進行對稱懸臂施工。每個V型墩上主梁的懸臂施工分為6個節段。施工中先同時合攏兩中跨，然后同時合攏兩邊跨，在中跨合攏前，須在兩中跨對稱分級采取頂推措施，達到設計的頂推力后方可澆筑合攏段。

2　有限元模型建立

本文運用橋梁分析軟件MIDAS/Civil對尤溪水東大橋主橋的施工過程進行正裝分析。對各個梁段的澆筑和預應力張拉以及掛籃前移工況的模擬通過激活和鈍化結構組、邊界組以及荷載組來實現[1]，全橋的單元劃分如表1所示，全橋的有限元模型如圖2所示。

表1　全橋單元劃分　個

3　合攏頂推力的計算原則

文獻[2,3]中在確定連續剛構橋合攏頂推力時，對墩頂水平位移的計算僅考慮了合攏溫度和混凝土收縮徐變效應。本文以3#墩為例，假定在設計的合攏溫度下，只考慮后期混凝土收縮徐變效應。通過計算，墩頂水平位移為10.4mm(方向朝向2#墩)，需要施加1 208kN的頂推力就可抵消這個水平位移。但是經過模型分析，當頂推力為1 208kN時，3#墩墩頂在成橋后仍產生5.4cm水平位移(方向朝向2#墩)，沒有全部消除墩頂的水平位移。可見該文獻關于墩頂水平位移的計算不全面。

經分析，這主要是由于中跨合攏段預應力效應的影響。中跨合攏后張拉預應力階段，3#墩邊跨懸臂端處于自由狀態，中跨懸臂端與2#墩主梁懸臂端固結，且2#墩處于全橋的對稱軸位置處，不會發生水平位移。所以在張拉中跨合攏段預應力筋后，3#墩發生了較大的朝向2#墩的偏位，墩頂水平位移為6.3mm。但是在邊跨合攏后張拉預應力階段，3#墩邊跨主梁端部為鉸支座約束，所以在張拉邊跨合攏段預應力筋后，3#墩只發生了較小的背離2#墩的偏位，墩頂水平位移為0.9mm。這樣成橋后3#墩仍產生了較大的偏位(朝向2#墩)。所以，在確定頂推力，計算墩頂水平位移也要考慮合攏段預應力效應的影響。

綜上所述，V型墩連續剛構橋合攏頂推力的計算原則是：先計算在合攏階段無頂推工況下，由合攏溫度、后期混凝土收縮徐變、中邊跨合攏段預應力效應等因素引起的墩頂水平位移，然后在合攏段主梁截面的形心處施加一個特定的水平頂推力，墩頂受其影響產生一個等值反向的位移。但由于頂推力本身的大小會影響結構的受力進而影響混凝土收縮徐變效應，而且超靜定結構中混凝土收縮徐變效應所導致的結構次內力和結構變形是非線性的，所以很難依靠手算得到結果，具體的計算中需要運用有限元軟件以成橋后墩頂水平位移為零作為目標來對頂推力進行控制，通過多次試算確定。

4　合攏溫度對頂推力及線形和受力的影響

由上述分析，影響頂推力確定的3個主要因素中，后期混凝土收縮徐變、中邊跨合攏段預應力效應是相對固定的因素，而合攏溫度是一個不可預見的隨機因素。對于不同的合攏溫度，合攏階段需要實施的頂推力不同，進而造成成橋后結構的線形和受力情況也大不一樣。所以，本文針對不同的合攏溫度進行研究，為施工合攏溫度的選取提供指導，以求使橋梁結構的線形和受力情況達到最優。

4.1計算工況

本文的尤溪水東大橋主橋設計的合攏溫度是18℃，考慮季節溫度變化在-2℃～38℃范圍內。下面選取3種工況，探究合攏溫差對頂推力及結構的線形和內力狀況的影響。

工況1：合攏溫度5℃(低溫合攏)；

工況2：合攏溫度18℃；

工況3：合攏溫度30℃(高溫合攏)；

4.2墩頂水平位移與頂推力計算

3種工況下，1#墩和3#墩的墩頂水平位移和頂推力計算結果如表2所示。墩頂水平位移以朝向河中心為正，頂推力以壓力為正。由表可以看出，頂推力的計算符合“高溫大頂推，低溫小頂推”的原則[4]。

4.3結構變形分析

3種工況下，主梁頂推階段和成橋后豎向線形的結果如圖3-5所示。其中，頂推階段變形結果以3#墩和2#墩為例，主梁位置中，“1#”表示1#墩中心位置，“2”表示主梁2#節塊端截面。豎向位移以向上為正。

由圖3可知，隨著合攏溫度的增加，3#墩主梁頂推階段豎向變形越來越大。中跨側懸臂端上撓(65.69mm∶98.54mm∶125.80mm)；邊跨側懸臂端下撓(65.14mm∶97.71mm∶124.70mm)。所以，高溫合攏對頂推工況的主梁豎向變形控制不利，低溫合攏對頂推工況的主梁豎向變形控制有利。

由圖4可知，頂推工況對2#墩主梁豎向變形影響較小，懸臂端上撓(0.56mm：0.84mm：1.07mm)，相對于邊墩主梁的豎向變形較小。

由圖5可知，3種合攏溫度工況對成橋后(溫度恢復到年平均氣溫)主梁豎向線形影響較大，線形突變的位置發生在合攏段兩側。可見，頂推對主梁線形的影響遠大于主梁自重和預應力效應對主梁線形的影響。隨著合攏溫度的升高，頂推力越來越大，成橋后主梁豎向線形越來越不平順。所以，從主梁成橋后線形控制上看，工況1(低溫合攏)比較有利。

4.4結構應力分析

不同的合攏溫度，需要設置不同的頂推力，將導致成橋后結構的內力情況大不一樣。尤其是對橋梁墩部的受力情況影響較大。為了更好地表述3種不同合攏溫度工況對成橋后結構的受力情況的影響，選取全橋的若干控制截面如圖6所示。3種合攏溫度工況在頂推后和成橋后結構各控制截面的應力如表3～4所示。應力以壓為正，拉為負；帶括號的數值表示此處已開裂，為鋼筋的應力。

MPa

表4　成橋后結構各控制截面應力　單位：MPa

由表3可以看出，頂推力對邊墩的受力情況影響較大，邊跨側受較大的壓應力，中跨側受較大的拉應力。隨著合攏溫度的升高，頂推力越來越大，V型撐底部截面和豎墩頂底部截面上下緣應力梯度也呈增加趨勢，尤其是墩底截面，甚至出現開裂，如工況3(高溫合攏)墩底截面中跨側開裂，鋼筋承受較大的拉應力(-112.0MPa)。對于工況1(低溫合攏)，頂推后各截面上下緣應力梯度相對較小，墩底不開裂，有利于頂推施工階段結構的受力，施工較安全。

由表4可知，3種合攏溫度工況對成橋后主梁的受力情況影響較小，各截面應力變化幅度不大。但對邊墩產生了較大的影響，隨著合攏溫度的升高，V型墩各截面上下緣應力梯度呈快速的增長，工況2和3中，豎墩頂部截面中跨側出現開裂。工況1中頂推力對各種因素引起的次內力消除較好，成橋后各截面上下緣應力梯度相對較小，這主要是由于低溫合攏時，成橋后結構受升溫荷載產生的次內力與后期混凝土收縮徐變引起的次內力正好相反，可以相互抵消，而高溫合攏時則是兩者疊加在一起。

5　結論

通過3種工況的對比研究，可以得到以下結論：

1)低溫合攏，需要設置較小的頂推力；高溫合攏，需要設置較大的頂推力。

2)低溫合攏，頂推時主梁階段豎向變形控制有利，且成橋后主梁線形相對平順；而高溫合攏則不利于成橋后主梁的線形。

3)低溫合攏，不僅在頂推后還是成橋后結構受力都更為安全合理，各控制截面上下緣的應力梯度相對較小，對各種因素引起的結構次內力消除效果較好，且在頂推階段可避免墩底開裂，保證施工安全，而高溫合攏則不利。

[1]北京邁達斯技術有限公司.MIDAS6.70使用說明[Z]. 北京:北京邁達斯技術有限公司，2002.

[2]周舟，蘇智，顏東煌.大跨度PC連續剛構橋合攏施工措施[J].長沙理工大學學報，2006，3(4)：36-39

[3]朱榮，胡成，何沛祥，等.Y型支撐剛構橋合攏合攏頂推力計算及受力性能分析[J].安徽建筑工業學院學報，2010，18(2) ：57-61

[4]鄒毅松，單榮相.連續剛構橋合龍頂推力的確定[J].重慶交通學院學報，2006，25(2)：12-15

張飛(1987-)，男，碩士，工程師,主要從事大跨度橋梁結構方面的研究。

王燕(1987-)，女，碩士，助教，主要從事水工結構方面的工作。

Studiesonclosurejackingforceforthecontinuousrigid-framebridgewithV-typePiers

ZHANG Fei1WANG Yan2

(1.FujianJiangxiaUniversity350108; 2.FujianPolytechnicofInformationTechnologyFuzhou350000)

TakingthemainbridgeofShuidongBridgeinYouxicountyofFujianprovinceasanengineeringbackground，thecalculationofclosurejackingforceconcerningthecontinuousrigid-framebridgewithV-typepiersisstudiedinthispaper,theinfluenceofstructuraldeformationandstressisanalysedaimingatdifferentclosuretemperature.Theresultsindicatesthatunderthelowclosuretemperature,attheaspectofstructuraldeformation,itisbenefitfortheverticaldeformationcontrolofmaingirderinjackingconstruction,moreoverthebridgehasabetteralignmentafterconstruction.Attheaspectofstructuralforce,bothinjackingconstructionandaftercompletion,thestressgradientofeachcontrolsectionsislesser,thestructureisinasafeandreasonableforcecondition.Finally,thelowclosuretemperaturecanpreferablyeliminatethesecondaryinternalforcegeneratedbyvariousfactors.

V-typepier;jackingforce;closuretemperature

張飛(1987-)，男，工程師。

E-mail:597586597@qq.com

2016-03-04

U445

A

1004-6135(2016)03-0089-04