連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力研究

收稿日期：2024-01-30

作者簡介：劉偉長（1981—），男，碩士，高級工程師，從事公路橋梁設(shè)計工作。

摘要 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變會使主墩產(chǎn)生水平位移及附加內(nèi)力，對主墩受力不利，一般在施工合龍時需施加頂推力來抵消其影響。文章通過工程實例，分析研究了合龍段頂推力的確定方法、合龍溫差對頂推力的影響及頂推力大小對橋墩位移及彎矩的影響，為同類型橋梁的設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 連續(xù)剛構(gòu)橋；構(gòu)造；設(shè)計

中圖分類號 U448.23文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0075-04

0 引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋由于其跨越能力強，造價低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于公路和鐵路橋梁。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變會使梁體產(chǎn)生豎向撓度和水平位移以及附加內(nèi)力[1-3]，造成主墩的偏位，影響了橋梁的美觀和行車的舒適性，也對主墩受力產(chǎn)生不利影響。對于主梁產(chǎn)生的豎向撓度，一般采取施工過程中施加預(yù)拱度的方法來抵消其影響。對于主墩的偏位及受力不利影響采取合龍時對梁體施加一個水平頂推力，給主墩施加一個反向位移來抵消后期收縮徐變引起的主墩水平位移，并改善橋墩受力。

國內(nèi)外學(xué)者對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍段頂推力進行了大量研究。余錢華[4]等介紹了連續(xù)剛構(gòu)橋在有頂推和無頂推兩種情況下，長期收縮徐變后，主梁應(yīng)力、豎向位移、墩頂水平位移及墩底應(yīng)力的變化，還分析研究了合龍溫差對墩頂水平位移的影響。趙永華[5]等通過理論計算值與實測值進行對比，研究了合龍段施加頂推力對主梁各截面頂、底板的應(yīng)力和撓度的影響。張寶恒[6]對三跨連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍方案及頂推力進行了研究。李軍[7]等采用有限元分析對連續(xù)剛構(gòu)橋合龍時施加頂推力對主梁撓度、應(yīng)力及主墩彎矩的影響。

通過虎市大橋的設(shè)計實例，分析研究了合龍段頂推力大小對橋墩位移及彎矩的影響，以及合龍溫差對頂推力大小的影響。

1 工程概況

虎市大橋位于廣東省大埔縣青溪鎮(zhèn)虎市村，起點連接縣道X973線，終點與鄉(xiāng)道Y113相接，橋梁全長324.4 m，橋跨采用（14+55+2×90+55+14）m，主橋橋面寬12 m。虎市大橋橋型布置如圖1所示。

主橋采用（55+2×90+55）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。斷面采用單箱單室，直腹板，根部梁高5.4 m，跨中梁高2.5 m。箱梁頂板全寬1 200 cm，兩側(cè)懸臂長300 cm；懸臂板端部厚20 cm，懸臂板根部厚65 cm，箱梁底板寬600 cm、底板厚28～71.8 cm，墩頂局部加強到142.6 cm，頂板厚28 cm，腹板厚度45～65 cm，端橫梁厚150 cm，墩頂0#塊橫隔板厚100 cm。主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力均采用鋼絞線。中墩采用雙薄壁墩，墩身截面尺寸橫橋向?qū)? m，順橋向厚1 m，墩高約10 m。承臺平面尺寸為12×6.6 m，厚度3 m，承臺下樁基采用6 根Φ1.8 m鉆孔灌注樁。主橋按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計。主墩處主梁斷面如圖2所示。

圖2 主梁斷面圖（cm）

2 結(jié)構(gòu)建模

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計行車速度：40 km/h。

（2）設(shè)計荷載：公路-I級。

（3）抗震設(shè)防：地震動峰值加速度0.05 g，基本烈度為6度。

（4）安全等級：一級，重要性系數(shù)1.1。

2.2 主要材料

主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土，防撞護欄、承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。預(yù)應(yīng)力采用的低松弛高強度鋼絞線。

2.3 計算主要參數(shù)

2.3.1 恒載

自重由程序自動計算。二期恒載包括鋪裝層及防撞墻，其重量通過線性荷載形式加載到主梁單元上。鋪裝取40 kN/m，防撞墻取26 kN/m。

2.3.2 汽車荷載

汽車荷載采用公路-Ⅰ級，按雙車道計算。

2.3.3 溫度荷載

整體升降溫取20 ℃，相對濕度0.8。梯度溫度按規(guī)范[8]取值，主梁梯度溫度按水泥混凝土鋪裝取值，正溫差T1=25 ℃、T2=6.7 ℃，負(fù)溫差取正溫差值的?0.5倍，T1=?12.5 ℃、T2=?3.35 ℃。

2.3.4 基礎(chǔ)沉降

中墩沉降取10 mm，邊墩沉降取5 mm。

2.3.5 施工階段劃分

施工主要步驟：澆筑樁基、承臺、橋墩—澆筑0#塊—掛籃施工1#～11#主梁節(jié)段—邊跨合龍—中跨合龍—澆筑鋪裝及防撞墻—成橋10年。

2.4 計算模型

采用通用有限元計算軟件Midas Civil 2022進行全橋縱向整體分析，全橋劃分283個空間梁單元，315個節(jié)點，結(jié)構(gòu)三維有限元計算模型如圖3所示。

圖3 三維有限元計算模型

3 頂推力計算

合龍段頂推力的大小與主梁與橋墩剛度、合龍溫度、合龍方案、合龍后頂?shù)装邃撌鴱埨闆r及收縮徐變等因素有關(guān)。設(shè)計時根據(jù)結(jié)構(gòu)在恒載及頂推力的作用下，完成收縮徐變后，橋墩墩頂位移為零來確定頂推力。該橋合龍方案采用先邊跨合龍再中跨合龍，中跨合龍時采用兩中跨同時合龍，設(shè)計合龍溫度為20 ℃。通過計算，可以得到在恒載及不同頂推力作用下，2#、4#橋墩在成橋后及成橋10年后墩頂水平位移情況。如圖4、圖5所示，分別給出了2#、4#橋墩在不同頂推力作用下，成橋和成橋10年墩頂水平位移的情況，由圖4～5可知，成橋時和成橋10年后墩頂水平移位與頂推力基本呈線性關(guān)系。在不施加頂推力的情況下，成橋時2#墩的水平位移為10.9 mm，4#墩的水平位移?10.9 mm；成橋10年后2#墩的水平位移為28 mm，4#墩的水平位移?28 mm，位移以向大里程方向為正，向小里程方向為負(fù)。

通過圖5可知，當(dāng)頂推力為2 900 kN時，成橋10年后2#及4#墩墩頂水平位移基本為零。考慮收縮徐變在成橋初期發(fā)展較快，后期運營階段逐步減少，在確定頂推力時，為了避免成橋初始階段過大的反向位移引起主墩彎矩過大，王巖[9]建議取成橋后收縮徐變效應(yīng)值的80%，魏建斌[10]等建議取成橋5年后收縮徐變效應(yīng)值，吳騰飛[11]采用成橋10年后在恒載作用下墩頂位移為零來確定頂推力。該文建議設(shè)計時按照成橋10年后在恒載作用下墩頂位移為零來確定頂推力，故該橋頂推力建議采用2 900 kN。

4 合龍溫差對頂推力的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋為超靜定結(jié)構(gòu)，環(huán)境溫度變化會引起主梁伸縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，同時主梁伸縮也會引起主墩產(chǎn)生水平位移和內(nèi)力。一般來說，設(shè)計合龍溫度為當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟取Ｉ鲜鲰斖屏κ前丛O(shè)計合龍溫度計算出來的頂推力，實際施工時，合龍溫度一般與設(shè)計合龍溫度不一致，故實際施工時，頂推力應(yīng)根據(jù)實際的合龍溫差進行修正。根據(jù)頂推力的計算可以求出橋梁的水平剛度為K=2 900 kN/

28 mm=103.6 kN/mm。通過計算，得知整體溫度變化1 ℃時，墩頂水平位移δ為0.84 mm，故溫度變化1 ℃時，引起頂推力的變化ΔF=Kδ=103.6×0.84=87 kN。該橋設(shè)計合龍溫度為20 ℃，當(dāng)實際合龍溫度高于20 ℃，每升高1 ℃時，頂推力增加87 kN，每降低1 ℃時，頂推力減少87 kN，即最終頂推力F=（2 900±87ΔT）kN，其中ΔT為實際合龍溫度與設(shè)計合龍溫度差。

5 頂推力對橋墩彎矩的影響

在恒載及不同頂推力作用下，2#橋墩在成橋后及成橋10年后墩頂及墩底彎矩情況如圖6～7所示。

由圖6、7可知，橋墩彎矩與頂推力基本呈線性關(guān)系，開始頂推力較小時，隨著頂推力的增大，橋墩彎矩變小，當(dāng)彎矩變成反向后，隨著頂推力的增大，橋墩彎矩也增大。從圖7可知，如果把橋墩彎矩效應(yīng)作為確定頂推力的目標(biāo)效應(yīng)，那么頂推力將為3 728 kN，此時，成橋10年后墩頂彎矩與墩底彎矩相等，為?178 kN·m，此時橋墩彎矩效應(yīng)最小。但是考慮實際施工時彎矩大小不易測量，推力為3 728 kN時成橋初期的橋墩墩頂、墩底彎矩均比未施加頂推力要大得多，對結(jié)構(gòu)受力不利，所以一般根據(jù)墩頂位移來確定頂推力，而不是橋墩彎矩。

在未施加頂推力和施加2 900 kN頂推力兩種工況下，橋墩在成橋初期及成橋10年（考慮收縮徐變后）后的彎矩如表1所示。成橋初期，2#、4#橋墩在施加頂推力與未施加頂推力后墩頂彎矩大小基本相等，但方向相反；施加頂推力后的墩底彎矩比未施加頂推力時大小有所增大，但方向相反。成橋10年后，施加頂推力后2#、4#橋墩墩頂、墩底彎矩比未施加頂推力時大小都減少很多，方向一致，墩頂彎矩降幅達(dá)到75%，墩底彎矩降幅達(dá)到80%。3#橋墩在施加頂推力與未施加頂推力時，彎矩基本沒變化。故對于四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，施加頂推力后，能大大減少邊主墩（2#、4#）彎矩，有利于橋墩受力。

圖6 成橋后橋墩彎矩與頂推力的關(guān)系圖

圖7 成橋10年后橋墩彎矩與頂推力的關(guān)系圖

表1 不同頂推力下橋墩彎矩 /（kN·m）

位置 未施加頂推力時 頂推力為2 900 kN時

成橋初期 成橋10年 成橋初期 成橋10年

2#橋墩墩頂 ?3 032 ?4 996 3 036 ?1 248

2#橋墩墩底 2 727 4 780 ?3 531 924

3#橋墩墩頂 ?124 ?185 ?112 ?179

3#橋墩墩底 124 178 118 175

4#橋墩墩頂 3 032 4 997 ?3 035 1 251

4#橋墩墩底 ?2 726 ?4 780 3 532 ?924

6 結(jié)語

（1）大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍過程中施加頂推力，能大幅減少成橋后期橋墩水平位移和橋墩彎矩，改善橋墩

（下轉(zhuǎn)第74頁）

（上接第77頁）

受力，提高橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）建議根據(jù)成橋10年后，在恒載作用下，墩頂位移為零來確定頂推力的大小，不建議根據(jù)橋墩彎矩效應(yīng)確定頂推力。

（3）頂推力還需要考慮實際合龍溫差的影響，根據(jù)實際合龍溫差對頂推力進行調(diào)整。

參考文獻

[1]林帆， 王萍， 肖開軍， 等. 大跨度混凝土連續(xù)梁橋的病害成因分析[J]. 中國工程科學(xué)， 2010（4）： 78-81.

[2]陳澤， 周科文， 廖勇剛. 大跨徑連續(xù)梁橋病害成因分析及加固設(shè)計[J]. 公路， 2013（1）： 44-48.

[3]孟新奇， 魏倫華， 張津辰， 等. 大跨徑剛構(gòu)橋梁跨中下?lián)蠁栴}研究[J]. 世界橋梁， 2013（2）： 76-79+89.

[4]余錢華， 唐兵， 高齊松. 連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力計算方法研究[J]. 交通科學(xué)與工程， 2023（4）： 62-69.

[5]趙永華， 楊建榮， 曾章波. 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段頂推力計算與分析[J]. 施工技術(shù)， 2023（6）： 22-27.

[6]張寶恒. 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋合龍方案及力學(xué)行為研究[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2023（6）： 150-152.

[7]李軍， 曾一帆， 陳輝， 等. 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍頂推力研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2015（2）： 335-241.

[8]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2015.

[9]. 王巖. 高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力的計算與優(yōu)化[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2020（6）： 210-213.

[10]. 魏建斌， 魏家樂， 馬玲. 高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋頂推合龍控制技術(shù)研究[J]. 世界橋梁， 2014（4）： 39-43.

[11]. 吳騰飛. 連續(xù)剛構(gòu)橋合龍對頂效應(yīng)計算分析[J]. 工程與建設(shè)（建筑結(jié)構(gòu)）， 2023（1）： 170-174.