中跨合龙段顶推方式影响分析

陈 欣

（石家庄铁道大学 工程力学系，河北 石家庄 050043）

0 引言

小河沟特大桥是墩梁固结的多次超静定结构，在悬臂节段施工过程中，由于混凝土收缩徐变、温度作用等影响，主梁纵向长度会产生变化，主墩发生偏移，并且会在主墩和梁体内产生较大的应力和内力［1－2］。为了消除这种不利影响，在中跨合龙前对梁体施加水平顶推力，以调整由混凝土收缩徐变、温度作用等引起的结构位移、应力及内力，使得成桥后结构的内力和应力处于安全使用状态。

1 工程背景

小河沟特大桥主桥桥式为（48＋80＋48）m 变截面预应力混凝土连续刚构桥，梁全长177．4 m，梁高沿纵向按二次抛物线变化。截面采用单箱单室直腹形式，主桥10、11 号墩为刚臂墩，采用矩形空心墩，主桥箱梁梁体为三向预应力混凝土结构，小河沟特大桥主桥结构布置如图1所示。

图1 主桥结构布置图（单位：mm）

2 建立有限元模型

小河沟特大桥为高次超静定体系，采用Midas／civil软件，按照施工顺序建立有限元模型。全桥可划分为80个节点，71个梁单元。边界条件近似模拟为：10号、11号墩与大地固结［3－4］，9号、12号简支梁墩支座模拟为活动铰支座［5］。有限元模型见图2所示。

3 中跨合龙顶推方式影响分析

按设计要求，在中跨合龙口两悬臂面间设置千斤顶，对两侧T 构主动施顶，增大两悬臂面间距，使其满足设计要求。依据设计和现场实际施工情况，分析两种顶推方案。方案Ⅰ：按设计要求，在合龙口两悬臂面间设置千斤顶施加900 kN 对顶力，图3为方案Ⅰ千斤顶布置示意图。方案Ⅱ：在桥面设置两道双拼工字钢，用千斤顶在工字钢两侧施加对顶力，这种方案会产生1 710 kN·m 的弯矩，图4为方案Ⅱ桥面顶推布置示意图。

图2 小河沟特大桥Midas／civil有限元模型

图3 方案Ⅰ千斤顶布置示意图

图4 方案Ⅱ桥面顶推布置示意图

3．1 最大悬臂状态顶推影响分析

最大悬臂状态，两种顶推方案主梁竖向挠度如图5所示。

图5 最大悬臂状态，无顶推、两种顶推方案主梁竖向挠度

由图5所示：

（1）无顶推时，主梁梁体均处于下挠状态。10号墩小、大里程最大悬臂端分别下挠8．23 mm、7．98 mm。11号墩小、大里程最大悬臂端分别下挠8．14 mm、8．36 mm。

（2）顶推方案Ⅰ、Ⅱ均使合龙口两悬臂端上挠，另两端梁体均下挠。相对于无顶推时，顶推方案Ⅰ使10号墩合龙口梁体上挠13．65 mm，小里程最大悬臂端 下 挠13．14 mm，11 号 墩 合 龙 口 梁 体 上 挠11．05 mm，大里程最大悬臂端下挠10．55 mm。顶推方案Ⅱ使10号墩合龙口梁体上挠14．82 mm，小里程最大悬臂端下挠13．83 mm，11号墩合龙口梁体上挠12．15 mm，大里程最大悬臂端下挠11．17 mm。

（3）顶推后，顶推方案Ⅰ、Ⅱ使合龙口两悬臂端产生的相对高差分别是2．76 mm、2．83 mm。可见，两种顶推方案在合龙口两悬臂端产生的相对高差并无太大差异。在施工监控中，主要就是监控顶推过程中合龙口两悬臂端高程变化及相对高差来判断顶推施工是否满足设计要求。

最大悬臂状态，相对于无顶推时，最大悬臂状态主梁上、下缘应力增量如图6、图7所示。

由主梁上、下缘应力图可知，因最大悬臂状态张拉后，无顶推时主梁上、下缘均为压应力，两种顶推方案均使主梁中跨梁体上缘压应力增大，分别最大增加0．138 MPa、0．227 MPa。下缘压应力减小，分别最大减小0．039 MPa，0．161 MPa。可见增大和减小值均较小，故两种顶推方案对应力影响较小。

小河沟特大桥处于悬臂状态时，主梁承受的内力主要是弯矩。相对于无顶推时，最大悬臂状态主梁弯矩增量如图8所示。

图6 最大悬臂状态主梁上缘应力增量

图7 最大悬臂状态主梁下缘应力增量

由弯矩增量图可知，顶推对两边跨主梁弯矩影响较小，对中跨主梁弯矩影响较大。顶推方案Ⅱ使合龙口两悬臂段由负弯矩增大为正弯矩，分别增加9 065 kN·m、9 250 kN·m，增幅分别为251%、249%，但相对于梁体抗弯刚度，对梁体受力影响并不大。两0号块弯矩增量分别为3 932 kN·m、3 996 kN·m，增幅分别为3．6%，3．7%。顶推施工对合龙口两悬臂段弯矩影响较大。

3．2 成桥状态顶推影响分析

成桥状态，两种顶推方案主梁竖向挠度如图9所示。

图8 最大悬臂状态主梁弯矩增量

图9 成桥状态，无顶推、两种顶推方案主梁竖向挠度

由图9所示：

（1）成桥状态，无顶推时，全桥处于下挠状态。小、大里程边跨梁体分别最大下挠7．912 mm、9．269 mm，中跨跨中梁体下挠0．955 mm。

（2）成桥状态，两种顶推方案均使边跨梁体下挠，中跨梁体上挠。顶推方案Ⅰ使小、大里程边跨梁体最大下挠18．625 mm、17．609 mm，中跨跨中梁体最大上挠14．209 mm。顶推方案Ⅱ使小、大里程边跨梁体最大下挠19．317 mm、18．228 mm，中跨跨中梁体最大上挠15．383 mm。可见，顶推施工对于成桥状态的梁体挠度也有较大调整。

成桥状态，相对于无顶推时，最大悬臂状态主梁上、下缘应力增量如图10、图11所示。

由成桥状态上下缘应力增量图可知，成桥状态，两种顶推方案均使主梁悬臂节段上缘压应力增加，分别最大增加0．032 MPa，0．097 MPa，中跨合龙段压应力分别减小0．113 MPa、0．131 MPa。采用顶推方案Ⅱ主梁悬臂节段下缘压应力减小，最大减小0．06 MPa，中跨合龙段压应力增大0．102 MPa，采用顶推方案Ⅰ主梁边跨梁体下缘压应力最大减小0．037 MPa，中跨梁体下缘压应力最大增加0．077 MPa。可见两种顶推方案对成桥状态梁体的上下缘应力影响并不大。

相对于无顶推时，成桥状态主梁弯矩增量如图12所示。

图10 成桥状态主梁上缘应力增量

图11 成桥状态主梁下缘应力增量

由弯矩增量图可知，成桥状态，顶推方案Ⅰ、Ⅱ主梁边跨梁体最大增量分别为992 kN·m、1 917 kN·m，增幅分别为0．8%、1．1%，中跨梁体最大增量在中跨合龙段，分别为1 553 kN·m、1 903 kN·m，增幅分别为4．8%、5．7%。顶推施工对主梁弯矩影响不大。

图12 成桥状态主梁弯矩增量

4 顶推方案的实施

由上节分析可知，两种顶推方式对主梁挠度和应力的影响差异较小，且采用顶推方案Ⅱ时，在顶推结束后，可直接将工字钢与预埋件焊接，作为临时刚性连接锁定合龙口，故相对于方案Ⅰ，方案Ⅱ施工较为简单。因此，现场实际施工采取顶推方案Ⅱ。

浇筑合龙口两端悬臂节段前，每个悬臂节段上缘上表面、下缘内侧各按设计要求在钢筋上焊接两块预埋钢板。顶推工艺实施前，先将11号墩小里程挂篮拆除，并进行配重，以保持11号墩梁体平衡。

小河沟特大桥中跨合龙段顶推工艺的实施在2013年9月3号下午4点进行，现场实测温度12℃，符合设计要求。现场桥面工字钢布置如图13所示。

图13 现场桥面工字钢布置

在工字钢和挡板间放置千斤顶，共需4个型号相同的千斤顶。顶推时，每个千斤顶同时、对称、均匀地施加450 kN 的对顶力。顶推结束后，移除千斤顶，直接将工字钢与预埋件焊接，作为临时刚性连接锁定合龙口，利用MT1、D1作为临时锁定钢束，预先将其张拉到控制张拉力的20%，保证合龙段混凝土强度及弹性模量达到100%设计值及混凝土龄期不少于7 d进行预应力张拉时混凝土不开裂。

5 现场监控

小河沟特大桥采用方案Ⅱ的顶推方式，合龙口两悬臂端顶推前后高程及相对高差实测值与计算值如表1所示。

表1 顶推前后合龙口两悬臂端高程及相对高差实测值与计算值

小河沟特大桥处在7‰的纵坡上，合龙段长2 m，两悬臂端设计高差14 mm，故实测高差与设计值相符。在建模过程中并未考虑纵坡，故理论计算相对高差与实测值有差异。由高程对比结果可知顶推达到了预期目的。

6 结语

由分析可知，中跨合龙段顶推工艺可以较好地改善本桥梁体线形，但对应力影响较小。两种顶推方式对梁体力学行为影响差异不大，故为方便施工可选择桥面顶推方案。根据现场监控结构，桥面顶推方案达到了预期的目的。

［1］雒帅．高墩大跨PC连续刚构桥合龙顶推控制［D］．西安：长安大学，2012．

［2］马卫华．大跨度连续刚构桥参数敏感性分析及高程控制［D］．沈阳：东北林业大学，2011．

［3］闫燕红．大跨度连续刚构桥施工监控及温度效应分析［D］．北京：北京交通大学，2008．

［4］于明聪．连续刚构桥施工监控分析研究［D］．西安：长安大学，2011．

［5］胡清和，邓江明，周水兴．多跨连续刚构桥顶推合龙方案研究［J］．中外公路，2009，29（3）：109－114．