佛山市禅西大道塱沙大桥主桥中跨合拢段轴向受力分析

姜 锋，胡 江，曹 景

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

1 概况

佛山市禅西大道是325国道改线段的重要组成部分，路线起于罗村街边佛山机场南的省道桂丹公路（规划横三）处，终点位于季华路，路线全长约6.1 km。全线共设置互通立交两座，分离式立交一座和大桥（即塱沙大桥）一座。塱沙大桥在路线桩号K1+500处上跨汾江河。

跨越汾江河主桥采用的结构是46.75m+75m+45 m变截面预应力混凝土连续梁，主跨支点处梁高4.2 m，跨中梁高2.1 m，梁底按二次抛物线y=4f(L-X)X/L2变化，箱梁由顶板形成单向2%的横坡，梁高均为结构中心高度。箱梁为单箱双室截面，箱底宽12.25m，箱顶宽19.25m，箱梁翼缘宽度每侧均为3.5 m，箱梁顶板厚度一般为25 cm，中墩支点处取55 cm；箱梁腹板厚度取用55 cm，中墩支点截面除0#号块外为80 cm，0#块截面为90 cm，边墩支点截面为80 cm；箱梁底板厚度变化范围从25～60 cm，中墩支点处取90 cm；翼缘板端厚度为20 cm，中间折点处厚度为35 cm，根部厚度为60 cm。

主桥平立面、跨中断面、支点断面见图1～图3。

2 中跨合拢设计

2.1 中跨合拢工艺

由于是中跨合拢段，合拢段两端的梁体都是T构悬臂端。悬臂端的自由度比较大，在温度、日照等因素的作用下，会发生轴向收缩、竖向挠曲、水平偏移。在混凝土强度未达到设计要求、合拢段预应力钢束未张拉之前，以上种种变形会导致合拢段混凝土的开裂。因此，必须采用有效的措施来保护合拢段混凝土，避免其开裂破坏。

为了保护合拢段混凝土，设计在合拢段处采用了外刚性支撑的合拢锁定装置。此种装置是在箱梁的顶、底板的顶面预埋钢板，设置反力座，并将外刚性支撑焊接在其上，依此共同锁定合拢口（见图 4）。

安装锁定装置后，由于温度升高梁体伸长而产生的压应力将主要由锁定装置承担，避免了合拢段混凝土承受较大的压应力。同时，在合拢段设置纵向临时预应力钢束，并进行张拉，以预压力来抵消两端因温度降低而缩短所产生的拉力（见图5）。

这样通过设置合拢锁定装置和临时预应力钢束，避免了合拢段混凝土在强度达到设计要求前承受较大的拉、压力，使其得到了有效的保护。

2.2 中跨合拢段纵向受力计算

在中跨未合拢前，为保证结构稳定，两个中墩支点处的支座约束都应为固结约束，墩身无位移。轴向受力简图如图6所示。

因梁体与合拢段连接钢材协同变形，故可取ag=ah，

所以△Lt＝ag△t(Lg+2Lh)=ah△t L

温度升高时梁体膨胀，而梁体两端固结，故两端会产生约束轴向力N，N使梁体产生得变形为：

图1 主桥平立面（单位：cm）

图2 跨中断面（单位：cm）

图3 支点断面（单位：cm）

根据变形协调原理，△Lt＝△Ln，所以：

式中：N——梁体温度变化时所受得轴向力；

ah,ag——分别为混凝土和钢的线膨胀系数；

L，Lg，Lh——分别为合拢段总长及悬臂段总长和合拢口的钢支撑长度；

Eg，Eh——分别为钢和混凝土的弹性模量；

Aih—— 箱梁第i段的平均面积；

Lih——箱梁第i段的分段长度。

Lh共分15段，分段示意见图7。

各分段参数见表1。

连接钢材面积：连接钢材采用I40工字钢，单根面积为10 211.2 mm2，共36根，

图4 锁定装置构造图（单位：cm）

图5 合拢钢束布置图（单位：cm）

图6 纵向受力简图

图7 梁体分段示意图

表1 梁体分段参数表

故中跨合拢锁定后，梁体温度每变化1℃，将会产生555.5 t的内力，若昼夜温度相差10℃，取Δt＝10℃ 计算得：

如此大的内力无论是对梁体还是连接钢材来说都是非常不利的，因此合拢口的锁定必须快捷迅速完成，在锁定前做好一切准备工作，以减少锁定时间。锁定后立即解除一侧中墩支点的固结约束，使梁体能够自由伸缩。

2.3 合拢锁定装置及合拢段临时预应力钢束受力计算

锁定完成解除一侧固结约束后，温度变化再引起梁体伸缩，当收缩力大于中墩的摩阻力时，梁体就能自由滑动，收缩力就不会加大，所以梁体及合拢段所受的最大温度内力等于梁体与支座之间的摩阻力。中墩施工阶段最大的恒载反力为42 000 kN，对于盆式橡胶支座摩擦系数取0.06，故：

合拢段所受最大降温拉力 F＝42 000×0.06＝2 520 kN

为保证合拢段混凝土不受拉，确保混凝土的浇筑质量，需张拉临时钢束以抵消这部分拉力，故：

临时钢束的张拉力Ny>F＝2 520 kN

底板临时钢束不再另外增加新的钢束，采用2根底板束Y2（12φ15.2）钢束，合拢时将其张拉35%的张拉控制力即为：2×12×139×1 860×0.35×0.001＝2 171.8 kN

顶板临时钢束采用4根3φ15.2钢束，合拢时将其张拉制力即为70%的张拉控制应力即为：4×3×139×1 860×0.7×0.001＝2 171.8 kN

故总的临时钢束力Ny＝2 171.8+2 171.8＝4 343.6 kN，考虑30%的预应力损失，故：

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

当升温时，合拢段梁体所受的最大的伸张力也应与梁体与支座间的摩阻力相同，故：最大张力P＝2 520 kN。

为了保护合拢段混凝土，必须设置刚性支撑装置抵抗此力，同时临时钢束的张拉力也要由刚性支撑装置抵抗，故：

刚性支撑装置所受最大压力N＝P+Ny＝2 520+4 343.6＝6 863.6 kN

故刚性支撑最大截面=6 863.6×1 000/(3 676.032×10 000)<140 MPa

3 结论

通过以上对中跨合拢段的分析计算，可以得出以下结论：

（1）中跨合拢段的施工必须配合使用合拢段锁定装置及合拢段临时预应力钢束。只有采用了上述措施，才能使合拢段混凝土在浇筑初期得到有效的保护。

（2）必须减少合拢段的锁定时间，在锁定之前应做好合拢装置焊接及临时钢束张拉的准备工作。在合拢口锁定后，为避免梁体出现较大的内力，应立即释放一侧的固结约束，使得梁的另一端在锁定装置的连接下能够自由的伸缩。

（3）合拢段的施工应选在风力很小且温度变化幅度较小的深夜进行。第一，夜间温度变化幅度较小，对合拢段受力更加有利；第二，由于夜间温度相对较低，合拢段混凝土浇筑完成后，温度将会逐渐升高，合拢段混凝土将逐渐承受压力，这对于合拢段的混凝土的受力较为有利；第三，由于夜间没有日照，且风力较小，避免了合拢段混凝土在浇筑初期发生竖向挠曲及横向水平变形。

（4）若合拢段混凝土在夜间进行浇筑，则合拢段的临时钢束应在合拢段混凝土浇筑的第二天温度回落前进行张拉。此时温度开始降低，梁体开始收缩，此时进行预应力的张拉，预应力的利用效率最高。

（5）合拢段的混凝土宜比梁体提高一个等级，并要求采用早强微膨混凝土。