合龙及体系转换顺序对多跨刚构－连续组合梁桥影响分析*

易锦，贺国京，陆杰，唐志奇，舒丹

(1.中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南长沙 410004;2.株洲市公路管理局，湖南株洲，412000;3.中铁二十五局集团公司第三工程公司，湖南长沙 410075)

据统计，我国从1988年开始修建第1座刚构连续梁桥——跨径180米的洛溪大桥以来，到目前我国已建和在建的主跨超过200 m的PC刚构连续梁桥已达50多座，跨径在100～200米之间的预应力混凝土梁桥已有100多座［1－3］。多跨PC刚构－连续组合梁桥是近年来发展迅速的一种桥型，它兼顾了连续梁桥和连续刚构桥两者的优点而摒弃了各自的缺点，在结构受力、使用性能等方面都具有一定的优越性。近年来，这种桥型受到了各国桥梁工程师的青睐。我国从东明黄河大桥开始，建造了为数不少的该类型桥梁。然而，大跨径混凝土连续－刚构组合梁桥在我国发展较晚，在结构分析、设计施工等方面还需不断地完善和发展［4］。多跨预应力混凝土刚构－连续组合梁桥一般采用悬臂浇筑方法施工，合龙顺序和临时固结的拆除在悬臂浇筑梁桥施工过程中至关重要。首先，合龙顺序和临时固结的拆除是施工控制的敏感因素，不同的合龙顺序和临时固结的拆除，对施工的难易程度、工期还有结构误差的累积有所不同。其次，合龙顺序和临时固结的拆除改变了合龙段所在跨的静定性质，结构将产生与施工关联较大的次内力以及结构内力重分布，这些对成桥后结构的位移和内力状态都有很大影响。再者，合龙顺序和临时固结的拆除还直接关系到各跨的施工进度安排，对工期和成本都有极大影响。

因此，本文以长株潭城际铁路湘潭特大桥12跨预应力混凝土变截面刚构－连续组合体系箱梁为背景，分析合龙次序和临时固结的拆除对于结构的位移和应力的影响。

1 工程概况

湘潭特大桥上部结构为(42.5 m+10×75 m+42.45 m)12跨预应力混凝土变截面刚构—连续组合体系箱梁。桥墩编号为293号～305号，桥墩采用圆端形等截面实心墩，墩高18.5 m～33.5 m，其中297号和298号为刚构墩。箱梁各控制截面梁高分别为:端支座处及边跨直线段和跨中箱中心处为3.035 m，左边跨直线段长6.0 m，右边跨直线段长5.95 m，中墩箱梁中心线处梁高6.035 m，平均长2.7 m，梁高按圆曲线变化。箱梁横截面为单箱单室直腹板。全桥箱梁顶宽12.2 m，底宽6.2 m，箱梁中心处顶板厚0.365 m，腹板厚分别为0.5 m，0.7 m，0.8 m，底板厚由跨中的0.5 m 变化至中支心梁根部的0.85 m;全梁共设13道横隔梁，刚构墩0号块处设置4.0 m的横隔梁，其余中墩和梁端设1.2 m段横隔梁。桥型布置图如图1所示(从左至右墩号293号～305号)。

2 计算模型

运用MADIS/CIVIL 2010建立了该桥的有限元模型，如图2所示。

3 计算结果与分析

3.1 不同合龙顺序的结果分析

不同桥梁合龙段施工顺序，将引起不同的施工内力，甚至结构内力载分配效应。因此，影响结构恒载内力是否合理，主要看桥梁合龙顺序是否适当［5］。PC刚构—连续组合梁桥常见的合龙次序有:(1)从一岸向另一岸依次合龙，每次合龙一个T构，梁段逐跨延伸连续;(2)单T构先静定“小合龙”成Ⅱ构，再按既定顺序进行Ⅱ构之间的超静定“大合龙”;(3)小合龙与大合龙综合应用［6］。现有工程大多以一次多点同时合龙，然后按多跨一次合龙的方法进行设计和施工。在实际操作时，又有很大的灵活性［7－10］。根据以上常规合龙次序，结合本桥提出了5种不同合龙方案，如表1所示。

图1 PC刚构－连续组合梁桥布置图Fig.1 Layout of PCbridge with ridge frame－combined continuous beam

图2 PC刚构－连续组合梁桥布置及计算模型Fig.2 Calculation model of PC bridge with ridge frame－combined continuous beam

表1 主桥合龙方案Table 1 The closure options of the bridge

3.1.1 竖向位移结果与分析

各备选方案全桥合龙和二期恒载施工完成后，方案1～方案5全桥主梁的竖向位移曲线如图3。

合龙方案1～5的竖向位移曲线表明，不同合龙顺序对于大桥成桥曲线变化趋势几乎一致，各跨位移极值点位置相近，其中最大极值点出现在第4跨跨中附近，方案3极值点最大，达到了3.05 cm，方案5最小为1.97 cm，相差1.08 cm。计算结果表明:合龙后成桥截面位移的变化趋势与合龙次序关联性不大，但是成桥最终线形随合龙顺序改变而改变，且不同合龙次序，成桥后各跨跨中位移极值点不一样。

3.1.2 跨中截面底板应力结果分析

各备选方案全桥合龙和二期恒载施工完成后，方案1～方案5全桥各跨跨中截面的顶底板应力如图4所示。应力以拉应力为负，压应力为正。

由图4可以看出，合龙方案1～5跨中截面底板应力最大值截面出现在第8跨，最小值出现在第4跨;各合龙方案应力变化趋势基本一致，都是在第7和第8跨出现应力较大值。除了第5跨各跨中截面应力相差不大，均不超过1MPa，第5跨应力差值较大，最大差值达到了2.56MPa。这是由于第5跨位于两刚构墩中间。总的来说，各备选方案普通墩跨中应力的极值点位置相近、应力值相差较小的特点充分说明:合龙次序对成桥的主梁应力影响不显著;而刚构墩跨中应力变化较大。在合理的施工工艺保障下，主梁的应力值主要取决于其结构特性。

图3 成桥后主梁竖向位移对比Fig.3 Vertical displacement of the beam comparison after bridged

图4 成桥后跨中截面底板应力比较Fig.4 The section roof stress comparison after bridged

3.2 不同体系转换顺序结果分析

为了分析临时固结对于多跨PC刚构—连续组合梁桥竖向位移和应力的一般规律，按照常规的临时固结拆除顺序，选取3种体系转换方案。

体系转换方案1:在合龙方案1的基础上，待每跨合龙后，即拆除该跨有关的临时固结，临时固结的拆除顺序为:294号和304号→295号和303号→296号和302号→301号→299号和300号;

体系转换方案2:在合龙方案5的基础上，待每跨合龙后，即拆除该跨有关的临时固结，临时固结的拆除顺序为:294号、295号、303号和304号→296号、301号和302号→299号和300号;

体系转换方案3:全桥合龙之后，同时拆除临时固结。

3.2.1 竖向位移结果分析

各备选方案全桥合龙和二期恒载施工完成后，方案1～3全桥主梁的竖向位移曲线如图5所示。

由图5可知，体系转换对于主桥线形影响非常大，不同体系转换顺序不但引起位移极值的变化，而且有的会引起位移反向。其中方案2位移曲线跳跃非常大，方案1次之，方案3位移曲线平稳且位移较小，表明方案3要优于方案1和2。由此表明:体系转换顺序对于成桥线形影响非常大，同时拆除临时固结，不仅可以减小主梁位移，而且线形平稳。

3.2.2 跨中底板应力结果分析

各备选方案全桥合龙和二期恒载施工完成后，方案1～方案3全桥主梁各跨跨中截面的底板应力如图6。应力以拉应力为负，压应力为正。

从图6可以看出，体系转换顺序不同，对主梁跨中应力影响较大。应力最大值出现在方案2的第8跨跨中，底板拉应力达到了9.86 MPa，比方案1和3分别大了0.98 MPa和2.74 MPa，其中应力差值最大值出现在第9跨，为3.42 MPa，达到了该截面应力的36.4%，不容忽视。而且从上表明显可以看出，体系转换方案1和2的截面应力均大于方案3。由此表明，在多跨刚构－连续组合连续梁桥的体系转换过程中，同时解除临时固结，可以减小跨中截面应力，改善全桥的受力状况。

图5 成桥后主梁竖向位移对比Fig.5 Vertical displacement of the beam comparison after bridged

图6 成桥后跨中截面底板应力比较Fig.6 The section roof stress comparison after bridged

4 结论

(1)合龙后成桥主梁位移的变化趋势与合龙次序关联性不大，但是不同合龙次序对于主桥的最终线形有一定影响;合龙次序对成桥的主梁应力影响不显著，在合理的施工工艺保障下，主梁的应力值主要取决于其结构特性。就文中给出的5种合龙顺序而言，方案1，2和5较优。

(2)不同体系转换顺序对主梁线形有非常大影响，不同体系转换顺序不但引起位移极值的变化，而且有的会引起位移反向，对主梁跨中应力影响也较大，最大达到了3.42 MPa。因此，选择合理的体系转换顺序显得至关重要，在多跨刚构－连续组合连续梁桥的体系转换过程中，宜选用方案3，即同时解除临时固结，可以减小主梁位移和跨中截面应力，改善全桥的线型和受力性能。

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