单桩独柱墩多跨连续刚构桥合龙方案与水平顶推力研究

夏培华，杜松

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014）

0 引言

随着我国公路交通事业的飞速发展，预应力混凝土连续刚构桥逐步向高墩大跨多跨方向发展。多跨连续刚构桥在施工与后期运营过程中受梁段自重、收缩、徐变等各种因素的影响，会产生很大挠度。由于连续刚构桥是墩梁固结体系，在引起竖向位移的同时，也会使主墩产生较大的水平位移，且跨度越大水平位移越大，为了消除此影响，在连续刚构桥中跨合龙时对梁体施加一对水平顶推力，给主墩施加一个反向位移，来抵消合龙温差、后期收缩徐变等因素引起的水平位移。目前，连续刚构桥一般按“对称悬臂浇筑→边跨合龙→中跨合龙”的顺序进行施工，对于多跨连续刚构桥，由于其跨径大、连续孔数多及高次超静定等因素，顶推力的大小不仅与水平位移量有关，还与合龙顺序有关。因此有必要对多跨连续刚构桥水平顶推力与合龙顺序进行优化计算。本文结合工程实例，开展单桩独柱墩多跨连续刚构桥合龙方案和顶推计算的研究。

1 工程概况

嘉绍大桥南岸水中区引桥为7×70+（70+120+70）+4×70=1 030m连续刚构桥，左右幅分幅设置，本文分析第一联7×70m等截面预应力混凝土连续刚构桥，见图1。桥梁断面为单箱双室，箱梁梁高4.0m，顶板宽19.8m，底板宽10.9m。箱梁桥面2%的横坡由箱梁整体翻转实现。基础采用单桩独柱墩，桩基为3.8m的大直径钻孔灌注桩，桩长105m，桥墩为横向展开的圆柱式墩身，墩高40m左右。桥墩与桩基直接相连，不设承台。

2 有限元分析模型

多跨连续刚构桥属多次超静定，施工顺序复杂，因此采用MIDAS/CIVIL建立有限元计算模型。主梁划分为149个单元，6个主墩划分为158个单元。本桥桩基与桥墩采用无承台结构的单桩独柱结构，桩长105m，墩高40m左右。由于该桥无承台，且桩长很长，因此建模计算根据JTJ254-98《港口工程桩基规范》中4.3.3节，计算弹性长桩的受弯嵌固点深度，在墩底下12m。有限元模型如图2。

图2 有限元模型

根据设计施工顺序（由边跨依次向中跨合龙），计算主跨在长期荷载作用下（不顶推）各墩顶将发生较大的水平位移，具体数值见表1，相应的位移如图3所示。

表1 主梁部分控制截面水平位移（未顶推）mm

图3 10 a收缩徐变后位移变形图（未顶推）

3 合龙方案优化研究与顶推力计算

根据嘉绍引桥连续刚构桥的特点，本文提出3个可行的合龙方案。

方案一：合龙顺序为，边跨→次边跨→次中跨→中跨。该方案只在中跨合龙前施加顶推力。

方案二：合龙顺序与方案一相同。次边跨、次中跨、中跨合龙前分别施加一次顶推力。

方案三：合龙顺序为：边跨→中跨→次中跨→次边跨。在中跨、次中跨、次边跨合龙前分别施加一次顶推力。

理想的顶推是消除表1中10 a收缩徐变后的水平位移，使其位移为0，而实际上很难做到，且无必要。因为桥梁合龙后为超静定结构；而且其水平位移大部分是在成桥以后发生的，若将10 a收缩徐变的位移量完全顶推到位，势必造成成桥后反向水平位移过大，这对桥梁的受力也是不利的。经试算与经验，确定按75%的水平位移量作为顶推位移量。

方案一，不同的顶推力与各主墩墩底截面应力关系如图4、图5所示（压为正，拉为负。图中：“x边”表示x号墩靠边跨侧位置；“x中”表示x号墩靠跨中侧位置。以下各图同），各主墩墩顶水平位移见表2。

图4 方案一顶推阶段墩底应力图

图5 方案一10 a收缩徐变后墩底应力图

表2 方案一在不同顶推力作用下各墩顶10 a收缩徐变后水平位移 mm

从图4、图5可以看出，各墩底应力与顶推力成线性关系，随着顶推力的增大，墩底跨中侧压应力减小，拉应力增大，且在施加顶推力阶段，3号墩底拉应力在4 000 kN时已达到3.8MPa；墩底边跨侧压应力增大，拉应力减小。从长期来看，墩底两侧应力差减小，说明墩的受力更趋于合理。但在顶推阶段出现了较大的拉应力，对主墩短期受力不利，容易产生裂缝。

从表2可以看出，顶推力为2 000 kN时，2号、3号、4号、5号墩顶水平位移较接近25%的水平位移量，但7号、1号、6号、8号墩的位移量远远没有达到，虽然4 000 kN时水平位移有所接近，但仍相差较大，且此时3号墩的反向水平位移过大，墩底拉应力也很大，故该方案顶推后线性不理想。

方案二，根据表2可以看出，顶推力与水平位移基本成线性关系，在顶推阶段施加100 kN的顶推力后，可得到各墩顶产生的水平位移，见表3。

表3 方案二各顶推位置100 kN顶推力各主墩墩顶水平位移增量 mm

根据表1中75%的水平位移量来估算顶推力的大小。由于在次中跨，中跨合龙时，单独的T构梁在顶推力作用下会产生反向的位移，因此在确定次中跨、中跨顶推量时，必须加上该反向位移。于是根据1号、2号、3号墩可列出下列方程，7号墩与1号墩为同一顶推力。

式中：Δij为100 kN顶推力在主墩顶产生的水平位移增量（i表示墩号，j表示合龙顶推顺序）；Pi为合龙顶推力，100 kN；δi为表1中1～3号墩75%的水平位移。

求得三次合龙顶推力分别为，P1=220 kN，P2=250 kN，P3=4 600 kN。同理根据4号，5号，6号墩也可以求得一组顶推力，P1′=230 kN，P2′=320 kN，P3′=5 600 kN。为了保证中跨合龙对称顶推施工，故最终得到的中跨合龙顶推力为5 100 kN。根据上述估算，取中跨合龙力4 000 kN，4 500 kN，5 000 kN各模拟一组。

不同的中跨顶推力作用下，各主墩墩底截面应力关系如图6、图7所示（压为正，拉为负），各主墩墩顶水平位移如表4示。

图6 方案二中跨顶推阶段墩底应力图

图7 方案二10 a收缩徐变后墩底应力图

表4 方案二在不同中跨顶推力作用下各墩顶10 a收缩徐变后水平位移 mm

从图6、图7可以看出，中跨顶推时随顶推力增大跨中侧拉应力增大（5 000 kN时已达3.26MPa），边跨侧压应力增大，墩底两侧应力差较大，收缩徐变完成后，墩底两侧拉应力差明显减小，墩子受力越来越均匀，且2号、3号、4号、5号随顶推力增大应力差增大，1号、6号墩应力差减小。

从表4可以看出，顶推力为4 500 kN时，各主墩墩顶水平位移接近25%的水平位移量，但7号、8号墩的位移量还有一定差距，此时在3号墩底也产生了2.61MPa的拉应力。与方案一相比，该方案水平位移控制较好，但顶推次数多，顶推力大，且墩底也出现了较大的拉应力，墩底易产生裂缝，因此该方案也不太理想。

方案三，根据表1中75%的水平位移量来估算顶推力的大小。由有限元模型计算得出各合龙处施加100 kN顶推力后各墩顶水平位移增量，见表5。由于水平顶推力与位移成线性关系，故可计算水平顶推力：

式中：Δi为100 kN顶推后各墩顶位移增量；Pi为顶推力，kN；δi为表1中各墩顶75%的水平位移。代入数据得：

表5 方案三各顶推位置100 kN顶推力各主墩墩顶水平位移增量 mm

为保证中跨对称顶推施工，取P3=P4=（76+45）/2=60 kN，1号与7号墩，6号墩与8号墩是同一顶推力，故P1=P2=（1 760+2 300）/2=2 030 kN，P6=P8=（2 000+2 800）/2=2 400 kN。为分析不同顶推力产生的影响，顶推力取全桥对称布置，此处在中跨合龙时施加顶推力60 kN，次中跨合龙取150 kN、250 kN各模拟一组，计算次边跨在不同顶推力（1 500 kN、1 800 kN、2 100 kN）作用下的应力与位移，实际施工时可根据实际确定的顶推力来施工。

各主墩墩底截面应力关系如图8、图9所示（压为正，拉为负），各主墩墩顶水平位移如表6所示。

从图8、图9可以看出，2号、5号墩底应力只与次中跨顶推力有关，而与次边跨顶推力无关。1号、6号墩底应力只与次边跨顶推力有关而与次中跨顶推力无关。次中跨顶推时随顶推力增大1号、6号墩底跨中侧拉应力增大，边跨侧压应力增大，墩底两侧应力差较大，收缩徐变完成后，墩底两侧拉应力差明显减小，墩子受力趋于均匀。

图8 方案三边跨顶推阶段墩底应力图

图9 方案三10 a收缩徐变后墩底应力图

表6 方案三10 a收缩徐变后各主墩墩顶水平位移 mm

从表6可以看出，次中跨顶推力的变化只对2号、5号墩顶水平位移有影响，对3号、4号墩顶水平位移没有影响，次边跨顶推力的变化只对边墩水平位移有影响，而对其它墩没有影响。且不像方案二在次边跨、次中跨顶推时还有向反方向的位移，因此能很好地控制2号、5号墩顶的水平位移，同时1号、6号、7号、8号的水平位移也能很好地控制。次边跨顶推力大于1 800 kN时，1号、6号、7号、8号水平位移较接近25%的水平位移量，但其它墩的反向水平位移量过大，且1号墩和7号墩出现了很大的拉应力。不利于墩的受力，通过对比表1，可以确定方案三的合龙顶推力依次为，中跨60 kN，次中跨150 kN，次边跨1 500 kN。

比较方案一、二、三，方案一、二虽然是常规的合龙顺序，但顶推力大，顶推线性不易控制。方案三虽然顶推次数多，但顶推力小，线性调整理想，因此方案三为最佳方案。

4 结论

本文针对单桩独柱多跨连续刚构桥的构造特点，结合嘉绍大桥南岸引桥工程，提出了3个合龙及顶推方案，开展了相应的应力与变形及顶推力大小分析，得出如下结论：

1）对于多跨连续刚构桥合龙，多次顶推比一次顶推更合理，顶推力与水平位移成线性关系。

2）合龙顺序为边跨合龙→中跨顶推合龙→次中跨顶推合龙→次边跨顶推合龙，较边跨合龙→次边跨（顶推）合龙→次中跨（顶推）合龙→中跨顶推合龙更适合七跨一联的单桩独柱墩连续刚构桥，能有效减小主梁在长期作用下的水平位移，改善主梁受力性能。且施加顶推力后，既减小了墩顶的水平位移，也增强了单桩独柱桥墩的稳定性，还有效地改善了主墩的受力。因此，对于多跨长联连续刚构桥，在合龙前进行顶推是非常必要的。

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