V型墩连续刚构桥合拢顶推力研究

张飞　王燕

(1.福建江夏学院　福建福州　350108；2.福建信息职业技术学院　福建福州　350000)



V型墩连续刚构桥合拢顶推力研究

张飞1王燕2

(1.福建江夏学院福建福州350108；2.福建信息职业技术学院福建福州350000)

以福建省尤溪县水东大桥主桥为工程背景，研究了V型墩连续刚构桥合拢顶推力的计算原则进行研究，并针对不同的合拢温度分析了其对顶推力及结构的变形和受力的影响。结果表明，低温合拢工况下，在结构变形方面，顶推时对主梁阶段竖向变形控制有利，且成桥后主梁线形相对平顺；在结构受力方面，无论是在顶推时还是成桥后，各控制截面上下缘的应力梯度相对较小，结构受力更为安全合理，顶推作用对各种因素引起的结构次内力消除效果较好。

V型墩；顶推力；合拢温度

1　工程概况

福建省尤溪县水东大桥为省道304线火甲坑至尤溪城关公路改建工程中一座公路桥梁。其水东村侧主桥(K6+658.2～k6+872.2)布置一联42+2×65+42mV型墩预应力连续刚构桥如图1所示，全长214m，桥宽24m(双幅)。上部结构以变截面连续梁为主体，横桥向为分离双箱梁，下部配以V型腿刚构共同受力。V型斜腿根部连接一段竖墩，于是形成Y型墩，其工作性能与V型墩基本相同。

该桥先在支架上整体浇筑V型墩和0#块，然后采用挂篮设备进行对称悬臂施工。每个V型墩上主梁的悬臂施工分为6个节段。施工中先同时合拢两中跨，然后同时合拢两边跨，在中跨合拢前，须在两中跨对称分级采取顶推措施，达到设计的顶推力后方可浇筑合拢段。

2　有限元模型建立

本文运用桥梁分析软件MIDAS/Civil对尤溪水东大桥主桥的施工过程进行正装分析。对各个梁段的浇筑和预应力张拉以及挂篮前移工况的模拟通过激活和钝化结构组、边界组以及荷载组来实现[1]，全桥的单元划分如表1所示，全桥的有限元模型如图2所示。

表1　全桥单元划分　个

3　合拢顶推力的计算原则

文献[2,3]中在确定连续刚构桥合拢顶推力时，对墩顶水平位移的计算仅考虑了合拢温度和混凝土收缩徐变效应。本文以3#墩为例，假定在设计的合拢温度下，只考虑后期混凝土收缩徐变效应。通过计算，墩顶水平位移为10.4mm(方向朝向2#墩)，需要施加1 208kN的顶推力就可抵消这个水平位移。但是经过模型分析，当顶推力为1 208kN时，3#墩墩顶在成桥后仍产生5.4cm水平位移(方向朝向2#墩)，没有全部消除墩顶的水平位移。可见该文献关于墩顶水平位移的计算不全面。

经分析，这主要是由于中跨合拢段预应力效应的影响。中跨合拢后张拉预应力阶段，3#墩边跨悬臂端处于自由状态，中跨悬臂端与2#墩主梁悬臂端固结，且2#墩处于全桥的对称轴位置处，不会发生水平位移。所以在张拉中跨合拢段预应力筋后，3#墩发生了较大的朝向2#墩的偏位，墩顶水平位移为6.3mm。但是在边跨合拢后张拉预应力阶段，3#墩边跨主梁端部为铰支座约束，所以在张拉边跨合拢段预应力筋后，3#墩只发生了较小的背离2#墩的偏位，墩顶水平位移为0.9mm。这样成桥后3#墩仍产生了较大的偏位(朝向2#墩)。所以，在确定顶推力，计算墩顶水平位移也要考虑合拢段预应力效应的影响。

综上所述，V型墩连续刚构桥合拢顶推力的计算原则是：先计算在合拢阶段无顶推工况下，由合拢温度、后期混凝土收缩徐变、中边跨合拢段预应力效应等因素引起的墩顶水平位移，然后在合拢段主梁截面的形心处施加一个特定的水平顶推力，墩顶受其影响产生一个等值反向的位移。但由于顶推力本身的大小会影响结构的受力进而影响混凝土收缩徐变效应，而且超静定结构中混凝土收缩徐变效应所导致的结构次内力和结构变形是非线性的，所以很难依靠手算得到结果，具体的计算中需要运用有限元软件以成桥后墩顶水平位移为零作为目标来对顶推力进行控制，通过多次试算确定。

4　合拢温度对顶推力及线形和受力的影响

由上述分析，影响顶推力确定的3个主要因素中，后期混凝土收缩徐变、中边跨合拢段预应力效应是相对固定的因素，而合拢温度是一个不可预见的随机因素。对于不同的合拢温度，合拢阶段需要实施的顶推力不同，进而造成成桥后结构的线形和受力情况也大不一样。所以，本文针对不同的合拢温度进行研究，为施工合拢温度的选取提供指导，以求使桥梁结构的线形和受力情况达到最优。

4.1计算工况

本文的尤溪水东大桥主桥设计的合拢温度是18℃，考虑季节温度变化在-2℃～38℃范围内。下面选取3种工况，探究合拢温差对顶推力及结构的线形和内力状况的影响。

工况1：合拢温度5℃(低温合拢)；

工况2：合拢温度18℃；

工况3：合拢温度30℃(高温合拢)；

4.2墩顶水平位移与顶推力计算

3种工况下，1#墩和3#墩的墩顶水平位移和顶推力计算结果如表2所示。墩顶水平位移以朝向河中心为正，顶推力以压力为正。由表可以看出，顶推力的计算符合“高温大顶推，低温小顶推”的原则[4]。

4.3结构变形分析

3种工况下，主梁顶推阶段和成桥后竖向线形的结果如图3-5所示。其中，顶推阶段变形结果以3#墩和2#墩为例，主梁位置中，“1#”表示1#墩中心位置，“2”表示主梁2#节块端截面。竖向位移以向上为正。

由图3可知，随着合拢温度的增加，3#墩主梁顶推阶段竖向变形越来越大。中跨侧悬臂端上挠(65.69mm∶98.54mm∶125.80mm)；边跨侧悬臂端下挠(65.14mm∶97.71mm∶124.70mm)。所以，高温合拢对顶推工况的主梁竖向变形控制不利，低温合拢对顶推工况的主梁竖向变形控制有利。

由图4可知，顶推工况对2#墩主梁竖向变形影响较小，悬臂端上挠(0.56mm：0.84mm：1.07mm)，相对于边墩主梁的竖向变形较小。

由图5可知，3种合拢温度工况对成桥后(温度恢复到年平均气温)主梁竖向线形影响较大，线形突变的位置发生在合拢段两侧。可见，顶推对主梁线形的影响远大于主梁自重和预应力效应对主梁线形的影响。随着合拢温度的升高，顶推力越来越大，成桥后主梁竖向线形越来越不平顺。所以，从主梁成桥后线形控制上看，工况1(低温合拢)比较有利。

4.4结构应力分析

不同的合拢温度，需要设置不同的顶推力，将导致成桥后结构的内力情况大不一样。尤其是对桥梁墩部的受力情况影响较大。为了更好地表述3种不同合拢温度工况对成桥后结构的受力情况的影响，选取全桥的若干控制截面如图6所示。3种合拢温度工况在顶推后和成桥后结构各控制截面的应力如表3～4所示。应力以压为正，拉为负；带括号的数值表示此处已开裂，为钢筋的应力。

MPa

表4　成桥后结构各控制截面应力　单位：MPa

由表3可以看出，顶推力对边墩的受力情况影响较大，边跨侧受较大的压应力，中跨侧受较大的拉应力。随着合拢温度的升高，顶推力越来越大，V型撑底部截面和竖墩顶底部截面上下缘应力梯度也呈增加趋势，尤其是墩底截面，甚至出现开裂，如工况3(高温合拢)墩底截面中跨侧开裂，钢筋承受较大的拉应力(-112.0MPa)。对于工况1(低温合拢)，顶推后各截面上下缘应力梯度相对较小，墩底不开裂，有利于顶推施工阶段结构的受力，施工较安全。

由表4可知，3种合拢温度工况对成桥后主梁的受力情况影响较小，各截面应力变化幅度不大。但对边墩产生了较大的影响，随着合拢温度的升高，V型墩各截面上下缘应力梯度呈快速的增长，工况2和3中，竖墩顶部截面中跨侧出现开裂。工况1中顶推力对各种因素引起的次内力消除较好，成桥后各截面上下缘应力梯度相对较小，这主要是由于低温合拢时，成桥后结构受升温荷载产生的次内力与后期混凝土收缩徐变引起的次内力正好相反，可以相互抵消，而高温合拢时则是两者叠加在一起。

5　结论

通过3种工况的对比研究，可以得到以下结论：

1)低温合拢，需要设置较小的顶推力；高温合拢，需要设置较大的顶推力。

2)低温合拢，顶推时主梁阶段竖向变形控制有利，且成桥后主梁线形相对平顺；而高温合拢则不利于成桥后主梁的线形。

3)低温合拢，不仅在顶推后还是成桥后结构受力都更为安全合理，各控制截面上下缘的应力梯度相对较小，对各种因素引起的结构次内力消除效果较好，且在顶推阶段可避免墩底开裂，保证施工安全，而高温合拢则不利。

[1]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS6.70使用说明[Z]. 北京:北京迈达斯技术有限公司，2002.

[2]周舟，苏智，颜东煌.大跨度PC连续刚构桥合拢施工措施[J].长沙理工大学学报，2006，3(4)：36-39

[3]朱荣，胡成，何沛祥，等.Y型支撑刚构桥合拢合拢顶推力计算及受力性能分析[J].安徽建筑工业学院学报，2010，18(2) ：57-61

[4]邹毅松，单荣相.连续刚构桥合龙顶推力的确定[J].重庆交通学院学报，2006，25(2)：12-15

张飞(1987-)，男，硕士，工程师,主要从事大跨度桥梁结构方面的研究。

王燕(1987-)，女，硕士，助教，主要从事水工结构方面的工作。

Studiesonclosurejackingforceforthecontinuousrigid-framebridgewithV-typePiers

ZHANG Fei1WANG Yan2

(1.FujianJiangxiaUniversity350108; 2.FujianPolytechnicofInformationTechnologyFuzhou350000)

TakingthemainbridgeofShuidongBridgeinYouxicountyofFujianprovinceasanengineeringbackground，thecalculationofclosurejackingforceconcerningthecontinuousrigid-framebridgewithV-typepiersisstudiedinthispaper,theinfluenceofstructuraldeformationandstressisanalysedaimingatdifferentclosuretemperature.Theresultsindicatesthatunderthelowclosuretemperature,attheaspectofstructuraldeformation,itisbenefitfortheverticaldeformationcontrolofmaingirderinjackingconstruction,moreoverthebridgehasabetteralignmentafterconstruction.Attheaspectofstructuralforce,bothinjackingconstructionandaftercompletion,thestressgradientofeachcontrolsectionsislesser,thestructureisinasafeandreasonableforcecondition.Finally,thelowclosuretemperaturecanpreferablyeliminatethesecondaryinternalforcegeneratedbyvariousfactors.

V-typepier;jackingforce;closuretemperature

张飞(1987-)，男，工程师。

E-mail:597586597@qq.com

2016-03-04

U445

A

1004-6135(2016)03-0089-04