合龙温差下部分斜拉桥顶推力的确定

严宗雪，　王凌波，　卢　旭,3，　罗金标

(1. 广州大广高速公路有限公司， 广东　广州　510030；

2. 长安大学　旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室， 陕西　西安　710064；

3. 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司， 广东　广州　510599)



合龙温差下部分斜拉桥顶推力的确定

严宗雪1，王凌波2，卢旭2,3，罗金标1

(1. 广州大广高速公路有限公司， 广东广州510030；

2. 长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室， 陕西西安710064；

3. 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司， 广东广州510599)

摘要：在斜拉桥施工过程中，由于实际合龙温度与设计合龙温度不一致而引起部分斜拉桥发生位移及温度内力，从而极易导致合龙偏差问题。为此本文以某特大桥工程为依托，建立结构有限元分析模型，以设计合龙温度20℃为基准，以实际可能的合龙时段温度21～39℃为分析参数，提出以不同内力值为目标值消除温度附加内力的顶推力优化分析方法。研究结果表明：曲线部分斜拉桥的主梁内力、位移与合龙温差呈线性增长关系；合龙温差对曲线部分斜拉桥产生的扭矩及侧弯值可以忽略不计；以消除塔墩梁固结处主梁位移为目标确定合理顶推力的效果较好，其塔墩梁固结处主梁位移及墩底弯矩消除量可分别达到合龙温差作用的98%及78%，利于控制成桥线形；实际施工中应依照力学性能施加偏心顶推力。研究成果可为此类桥梁合龙时顶推力的施加提供参考意义。

关键词：部分斜拉桥；合龙温度；合龙温差；顶推力

部分斜拉桥是超静定结构，其力学性能介于连续梁桥和斜拉桥之间。国内外学者对部分斜拉桥诸如部分斜拉桥的界定[1]、刚梁柔塔与柔梁刚塔桥的特性[2]、斜拉索索力与体内预应力的优化[3]等问题进行了大量的研究，但在实际施工及运营中还存在很多问题，例如曲线宽幅部分斜拉桥施工控制、混凝土宽箱主梁的空间效应等，尤其在曲线宽幅部分斜拉桥合龙顶推力的确定[4～8]尚属空白。虽然有学者就连续刚构桥的高温合龙顶推力[9,10]进行了研究，但对于部分斜拉桥这方面的研究尚不完善。合龙是成桥运营的关键一步，而合龙温度的选择更是重中之重[11]；但受工期及自然条件的限制，实际的合龙温度与设计合龙温度往往存在偏差，即合龙温差。实际合龙温度高于设计合龙温度时，由于温差效应，合龙段混凝土与两端悬臂梁都会产生收缩，因此可能在合龙段与两端梁体的连接处出现开裂，不但影响结构的合龙内力与线形，甚至会危及结构的耐久性。为了避免因合龙温差产生的影响，工程上普遍采取施加适当顶推力的方式进行消除。本文主要探讨曲线宽幅部分斜拉桥实际合龙温度较高时，以消除因其产生的墩顶附加水平位移、墩底弯矩、主梁拉力等为目标，分析消除不同目标值的顶推力施加效果及其对比分析，确定合理的顶推力及施加方式，同时给出合龙温差对加劲主梁扭转、侧弯的影响。

1工程概况

1.1工程背景

某部分斜拉桥的跨径组成为108 m+208 m+108 m，位于半径为R=1800 m的平曲线上，为墩、塔、梁固结体系，边墩处设置支座，桥型布置如图1所示。主梁采用C60三向预应力混凝土箱梁结构，半幅桥宽20.5 m，主梁断面为变高度单箱双室直腹板箱梁，两侧外悬翼缘板各宽4 m；箱梁根部梁体中心线梁高6 m，梁高按二次抛物线变化至跨中或梁端，支点处梁体中心线梁高3.8 m。采用钢筋混凝土三立柱“III”型塔，四索面形式，承台横桥向分离。

1.2合龙方式

主桥采用悬臂浇筑施工，合龙顺序为：先合龙边跨，再合龙中跨。中跨合龙段的主要施工步骤是：(1)后移和拆除悬臂施工挂篮；(2)上合龙吊架和在悬臂端加配重水箱，合龙段两侧水箱的容水重量效应，相当于合龙段所浇筑混凝土重量的效应，远端还应增加1/2吊架模板重量；(3)施工时选择最佳合龙温度顶紧焊死锁定劲性骨架；(4)及时浇筑合龙段混凝土，同时水箱同步等效应放水，以保持悬臂段的稳定。为分析合龙温差的影响，本文按照桥梁设计通用规范[4]考虑均匀温度作用的影响。

图1　主桥桥型布置/cm

2温度工况分析及建模

2.1温度工况

本桥所在广州地区年平均气温19.5～21.4℃，月平均最高气温28.5℃，最低气温10℃；极端最高气温38.1℃，极端最低气温-2.6℃。温差按整体升、降温25℃考虑；主梁顶板局部温差考虑桥面铺装层的折减作用，升温梯度[12]计算中取T1=17℃，T2=6.7℃；降温梯度计算取T1=-8.5℃，T2=-3.35℃；索梁温差±10℃；索塔左右侧温差±5℃；设计合龙温度为20℃。本文依托工程实际施工工期比原工期延迟，原定的5月份完工，设计合龙温度为20℃，现阶段预计推迟1～2个月，将在这个时间段内可能的实际合龙温度进行罗列，查阅桥梁所在地区6、7月的温度变化得知，6月日均最高气温31℃，日均最低气温25℃，历史最高气温(2004年)39℃，历史最低气温(1987年)19℃；7月日均最高气温33℃，日均最低气温25℃，历史最高气温(2004年)39℃，历史最低气温(1961年)22℃；不考虑低温合龙的益处，根据施工进度的实际情况，设置了温度工况，即实际合龙温度为21～39℃线性增长，合龙温差由1～19℃线性增长，以此工况进行分析。

2.2有限元模型建立

对于塔墩梁固结的部分斜拉桥来说，尤其是变截面箱梁，由合龙温差引起结构次内力、内力重分布及结构位移的非线性，需要反复试算才能得到合理的顶推力。本文选用有限元计算软件MIDAS CIVIL 2012进行结构空间建模，采用梁单元模拟主梁及主塔，桁架单元模拟斜拉索，共建立724个单元，索梁、索塔之间连接采用刚性连接，墩底固结。合龙温差采用系统温度模拟，模型离散图见图2。

图2　桥梁结构离散图

3合龙温差对部分斜拉桥的影响

当实际合龙温度大于设计合龙温度时，成桥后因温差的存在将导致墩顶产生由边跨往中跨方向的水平位移，主梁及主塔将产生温度附加内力，当温度附加内力超出设计容许范围，将影响结构安全[13,14]。为了消除合龙温差的不利影响，可在合龙时通过施加顶推力进行调整。图3为各合龙温差工况作用下对部分斜拉桥的位移及内力影响，包括塔墩梁固结处主梁水平位移(DX)、中跨跨中主梁拉力(Fx)、塔墩梁固结处主梁扭矩(Mx)、塔墩梁固结处主梁弯矩(My′)、塔墩梁固结处主梁的侧弯矩(Mz)、墩底弯矩(My)。

由图3可知，该桥合龙温差导致部分斜拉桥产生的塔墩梁固结处扭矩、塔墩梁固结处纵向弯矩及塔墩梁固结处侧弯矩最大仅达到墩底弯矩变化量的1/10，宜选择塔墩梁固结处温差附加主梁水平位移(Dx)、跨中主梁拉力(Fx)、墩底弯矩(My)为目标值分析应施加的顶推力。

图3　合龙温差作用对部分斜拉桥的影响

4顶推力的确定

4.1消除温差附加效应影响的顶推力

(1)以主梁拉力为目标值

由图3可知，合龙温差作用下结构的位移、内力均随着温差的增大而线性增大。借鉴连续刚构桥高温合龙顶推力的计算方法[10]，对于混凝土主梁，优先以消除主梁拉力为目标值进行计算。设某合龙温差作用下主梁拉力为F，将主梁拉力F作为顶推力，加在跨中最大悬臂端。以消除其他效应值为目标值时，顶推力按以下公式进行计算：

(1)

式中：P为某温差作用下的顶推力；F为对应温差作用下主梁拉力；δ为以F作为顶推力，成桥后内力值或位移值；δ′为对应温差作用下内力值或位移值。

根据式(1)进行计算，可以得出以消除不同目标值顶推力分析结果见表1，表中计算结果以11号墩为例给出消除不同目标值的顶推力结果。

表1　消除不同目标值的顶推力

以消除主梁拉力为目标值时，在合龙温差作用下，主梁中跨拉力基本上为一常量，在跨中合龙段施加顶推力在数值上等于主梁因合龙温差产生拉力时，既可消除因合龙温差在主梁产生的拉力，也可基本消除因合龙温差对结构产生的不利影响。图4和图5分别为施加顶推力后塔墩梁固结处主梁位移、墩底弯矩。

图4　施加顶推力后主梁位移

图5　施加顶推力后主梁墩底弯矩

(2)以塔墩梁固结处位移为目标值

升温会使主梁各节点产生向跨中方向的偏移，在施加顶推力后塔墩梁固结处主梁位移、墩底弯矩见图6和图7所示。

图6　施加顶推力后主梁位移

图7　施加顶推力后主梁墩底弯矩

(3)以墩底弯矩为目标值

合龙温差会导致墩底产生较大的弯矩，施加顶推力可以改善墩身受力状况，在施加顶推力后塔墩梁固结处主梁位移及墩底弯矩分别见图8和图9。

图8　施加顶推力后主梁位移

图9　施加顶推力后主梁墩底弯矩

4.2计算结果对比

(1)主梁内力值、位移值均随着合龙温差的增大而线性增大，故以内力值、位移值为目标值进行顶推力计算，其结果也呈现线性增长关系。

(2)合龙温差作用下，曲线宽幅斜拉桥的扭矩(Mx)、侧弯矩(Mz)值很小，且在顶推力作用下能有效地消除。

(3)由顶推力计算结果可知，以墩底弯矩为目标值时结果最大，虽然消除了合龙作用下的墩底弯矩，但施加顶推力后塔墩梁固结处位移、侧弯矩分别超出合龙温差作用下效应值的30%、28%，顶推效果较差；以塔墩梁固结处主梁位移为目标值时计算结果最小，施加顶推力后塔墩梁固结处位移、墩底弯矩为合龙温差作用的0.98、0.80；以主梁拉力为目标值时结果稍大，施加顶推力后塔墩梁固结处位移超出合龙温差作用下的12.2%，而施加顶推力后的墩底弯矩值为合龙温差作用下的84.6%，墩底截面刚度大，且主梁线形在施工及后期运营过程中起着极其重要的作用。

5结论

针对施工过程中实际合龙温度与设计合龙温度不一致而引起的部分斜拉桥发生位移及温度内力而导致合龙偏差问题，以某特大桥工程为依托，建立结构有限元分析模型，以设计合龙温度20℃为基准，实际可能的合龙时段温度21～39℃为分析参数，提出以不同内力值为目标值消除温度附加内力的顶推力优化分析方法。

(1)曲线部分斜拉桥在合龙温差作用下的扭矩、侧弯矩很小，可以忽略不计。

(2)曲线宽幅部分斜拉桥因合龙温差作用施加的顶推力，以消除塔墩梁固结处主梁位移为目标值进行计算顶推效果最佳。

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Determination of Jacking-force of Extradosed Bridge Considering Final Closure Temperature Differences

YANZong-xue1,WANGLin-bo2,LUXu2,3,LUOJin-biao1

(1.Guangzhou Daguang Expressway Co Ltd, Guangzhou 510030, China;2. Key Laboratory of Bridge Detection Reinforcement Technology Ministry of Communications,Chang’an University, Xi’an 710064, China;3. Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co Ltd, Guangzhou 510599, China)

Abstract:During extradosed bridge construction, the differences between actual closure temperature and design closure temperature may cause vertical displacement and internal forces, which will further cause final closure deviation problem. Structure finite element analysis mode was established based on an extradosed bridge. Based on design temperature 20℃, this paper set actual possible closure temperature 21℃～39℃ as analysis parameter, a closure jacking-force optimization analysis method was proposed, use different internal force value as target to eliminate temperature additional internal forces. The results showed four conclusions. Firstly, internal force and displacement of girder in addition of closure temperature differences were linear growth relations of extradosed bridge. Secondly, the influences from closure temperature difference on torque and lateral bending of curve extradosed bridge may be ignored. Thirdly, determine closure jacking-force by eliminate the beam displacement in consolidation may get the best effect, the elimination of beam displacement and pier bending moment may separately achieve 98% and 78% after jacking force applied, and which is good for bridge linear control. Finally, eccentric jacking force should be applied based on mechanical properties in actual construction. Research results can be used to guide similar bridge closure jacking force.

Key words：extradosed bridge; final closure temperature; final closure temperature differences; jacking-force

中图分类号：U448.27

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0051-05

基金项目：中国博士后科学基金(2015M572512); 广东省交通运输厅科技项目(科技-2014-02-017)

作者简介：严宗雪(1976-)，男，四川资阳人，高级工程师，博士，研究方向为桥梁工程(Email: yanzongxue_gz@163.com)

收稿日期：2015-10-18修回日期： 2015-12-04