Y型刚构-连续组合梁桥合龙阶段受力分析及顶推力的应用

2013-12-04 01:39:14杨素娟秦立朝

中国建筑金属结构 2013年20期

杨素娟，秦立朝

（1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421001；2.长沙理工大学，湖南长沙 410015）

近年来，国内外在自架设体系T型刚构桥的基础上，相继修建了许多预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥，这两种桥具有跨越能力大、结构受力合理、车辆行驶平顺、施工方便和养护费用低等优点，已成为大跨度桥梁建设中不可缺少的桥型。这种桥一般采用的施工方法是：先在其各主墩上按“T构”用挂篮分段对称悬臂浇筑，然后在落地浇注段上现浇边跨段，最后在吊架上完成现浇跨中合龙段，整个桥段桥按对称悬臂浇筑→边跨合龙→中跨合龙顺序进行施工。合龙段的施工顺序是影响该类梁桥施工的重要环节，合龙段压重、合龙温度、预拱度、边跨现浇段、边跨合龙段和跨中下挠控制都影响着该类桥梁的施工质量。下面就以鹭鸶湾大桥为例对Y型刚构-连续箱梁桥的合龙技术进行研究。

1 工程背景

鹭鸶湾大桥是张家界西溪坪永定大道上的一座桥梁，位于张家界市城东澧水干流之上，是东接张家界市城区永定大道及常张高速公路、西接张家界城市中心的重要通道。既有鹭鸶湾大桥已运营约10a，桥面破损严重，存在较多病害，所以经多方案比选后决定对原大桥进行拆除重建。重建桥梁起点里程为K6＋099.92，终点里程为K6＋525.08，桥梁宽33m，全桥长425.16m，桥梁位于直线上。桥梁采用（38+61+71+81+71+61+38）m预应力混凝土Y型刚构－连续组合箱梁，桥宽采用33m，分左右两幅设置，最大纵坡采用4.64%。

根据《预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南》的有关规定，连续刚构桥的边跨现浇段、边跨合龙段和中跨合龙段是合龙段浇注的3个关键施工工序，应按照以下原则进行：3个工序的全过程均应在结构处于稳定变形条件下进行；同时3个工序的全过程均应在结构处于平衡状态下进行。这样做的目的是为了保证结构在施工阶段避免受到不平衡荷载的不利影响。因此，该桥在合龙方案选择时考虑了合龙顺序对桥梁的影响，针对不同合龙顺序进行了比选分析。

2 合龙顺序对内力变形影响分析

结合本桥的实际情况，对合龙的顺序采用先边跨后中跨及先中跨后边跨两种不同的合龙方式进行模拟分析，对两种合龙方式下的内力及变形情况进行比较，考虑到结构的对称性，文中只给出一半单元的计算结果。

2.1 先边跨后中跨结构受力情况（见图1～4）

图1 成桥恒载弯矩图

图2 成桥恒载剪力图

图3 成桥上缘应力图

图4 成桥下缘应力图

图5 成桥恒载弯矩图

2.2 先中跨后边跨结构受力情况（见图5～8）

图6 成桥恒载剪力图

图7 成桥上缘应力图

图8 成桥下缘应力图

2.3 优化比选结果

上述计算结果表明：两种合龙方式对于Y构区域的最大负弯矩的影响很小，对于边跨、次边跨、次中跨的弯矩值先边后中的方式比先中后边小15%左右，剪力则相差很小。

上下缘的应力计算表明：采用先边后中的方式比先中后边压应力小0.3MPa，说明先中后边的方式对于箱梁的应力储备较为有力。

采用先边跨后中跨的主要目的是减小结构中的温度应力和容易控制合龙过程中的变形。合龙段施工之前，每个T构的悬臂箱梁是静定结构，只因温度产生变形，不产生应力。先中跨后边跨形成Ⅱ型结构，中跨各个梁段的混凝土会因温度作用产生应力，此时除中跨合龙段外，其余各梁段混凝土均已达到设计强度，且施加了预应力，因而能承受温度应力。而合龙段混凝土在未达到强度前不能承受温度应力，需采取措施使它不受力，如可采取临时束、体外支撑、选择合理的灌注时间、采取添加U微型膨胀剂及降温等措施达到预期的目的。

采用上述两种方式，内力的影响主要体现在弯矩的差异（15%左右），对其余指标的影响较小，两者的各项指标均能满足现行规范的要求，考虑到采用先中后边的方式有利于挂篮的周期运作，可以较快的将合龙撤除的挂篮用于其余阶段施工，节省工程造价，且由于Y构合龙后形成稳定体系，可以减少临时支承体系的多次转换过程，在设计时最终采用先中后边的方式处理。

此外，合龙段压重、合龙温度、预拱度、边跨现浇段、边跨合龙段和跨中下挠控制都影响着该类桥梁的施工质量。按规定，合龙前应在两端悬臂顶加压重，并对浇注混凝土过程中同步卸载，使悬臂挠度保持稳定。合龙在1d中最低气温且温度恒定时完成，跨中要设置适中的预拱度值，且预拱度的设置宜大不宜小。边跨现浇段混凝土一般在落地满堂式支架上分两端浇注；先浇注靠近墩（桥台）梁段，再浇注靠近悬臂段2m的梁段。

3 合龙段顶推力大小的优化

Y型刚构-连续组合梁桥因后期上部结构混凝土收缩与徐变作用，使两墩之间主梁沿桥面方向伸缩，墩顶与墩底产生较大的弯矩，且墩顶向跨中方向产生的位移。再考虑温度作用，多种效应组合下主墩的受力及其变位将加剧，对墩身会造成不利影响。为解决这一问题，我们做了大量的分析与计算,通过计算分析可知，在桥梁进行中跨合龙前对中跨主梁悬臂端施加一个水平推力，让主墩墩顶预先向两侧产生一定的偏移，产生与混凝土收缩、徐变相反的弯矩，可以有效减少成桥后混凝土收缩、徐变的永久内力及变位影响，减小永久作用与温度作用组合的不利效应，从而改善墩身及主梁的受力及变位。

合龙温度及后期混凝土的收缩徐变是主墩产生纵向偏位的主要因素，下面就从这两个方面进行分析研究。

3.1 合龙温度引起的墩顶水平位移计算

采用悬臂浇筑法进行Y型刚构-连续组合梁桥合龙施工中，合龙温度是影响合龙段施工质量甚至整个桥梁结构体系受力的重要因素。理论和实践研究证明：对于超静定结构的大跨度预应力混凝土箱形梁桥，温度应力可以达到甚至超过活载应力，从而造成预应力混凝土桥梁产生温度裂缝。

桥梁合龙时的环境温度直接影响着温度次内力引起的结构位移方向。如果合龙时温度较高，而成桥后温度下降将会使主梁向跨中收缩，主墩顶部产生向跨中方向的水平位移和转角，容易增大中跨下挠。因此，采用有限元分析的方法能对该项效应准确求解。

3.2 收缩徐变引起的墩项水平位移计算

混凝土的徐变一般是沿着已有的转角方向发生变形，而混凝土收缩产生的变形必然使主梁缩短，其作用效果与结构受整体降温作用的效果一致。若是在合龙时预先施加水平推力，并且产生与混凝土收缩、徐变相反的水平位移，同时将主梁的初始转角适当减小，这样就能有效地减小混凝土收缩徐变而引起的梁体下挠问题。但分段施工的每个梁段混凝土的徐变、收缩特性与加载龄期均不同，所以其导致的内力重分布是非线性的，因此收缩、徐变引起的水平位移的理论分析与计算过程很难通过解析求解。根据《桥规JTG D62》附录F中的计算公式，利用有限元程序采取逐步计算的方法，可以有效计算混凝土中收缩与徐变变形，得到较为完美的解决。

3.3 合理顶推力的计算

跨中合龙时顶推力大小需根据实际工程通过计算来确定，顶推力施加后的效果应满足受力及变形和位移两点要求：顶推力产生的弯矩能部分抵消由结构自重、混凝土收缩徐变等引起的弯矩，降低墩身受力，减少墩身配筋及裂缝宽度；顶推力产生的墩顶预偏值能部分抵消成桥后上部结构混凝土收缩、徐变在墩顶产生的收缩量。经验表明，桥梁收缩徐变在3a内可以基本完成，设计计算中要求3a后桥梁在永久作用下，墩顶水平位移接近为0，墩身处于铅直状态。

根据此两点要求可以初步确定顶推力的下限值，此外还需注意顶推力施加带来的以下问题：顶推力的施加使桥梁上部结构受到预压作用，从而使墩身徐变次内力增加。通过计算表明增加的徐变次内力小于顶推本身产生的内力，顶推效果总体是有利的，只是次内力削弱了这种有利效果；通过计算可知混凝土收缩、徐变对墩身的受力影响与温度降低作用下的影响效果一致，所以，包含这三种作用效果的组合往往是就墩身在极限状态下的最不利组合。施加顶推力的目的就是想降低此最不利组合值，但如果施加的顶推力过大，则温度作用的效果可能由降温作用效果变位为升温作用效果，这将使顶推力的施加失去其意义；如果施加过大的顶推力，主梁部分截面的极限状态承载能力或压应力有可能不满足规范要求，在设计计算时也应注意这一问题。

根据上述计算时会出现的3类情况初步确定顶推力的上限值，与下限值及施工要求等其他情况综合考虑，最后可以确定顶推力的大小。

在各顶推位置分别施加0kN、50kN、100kN、200kN，顶推力Y构支承处主梁节点的水平位移见下表1。