多跨刚构-连续组合桥梁对合龙顺序的研究分析

周兴林 宁晓骏 张清旭 董福民

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

大跨径多跨刚构-连续组合桥梁是结合了连续刚构桥与连续梁桥的优点，具有行车平稳、跨越能力强、施工便捷等特点。合龙段施工是整个桥梁工程中最关键的施工步骤，合龙段施工可以调整桥梁整体线形及桥梁结构内力，施工质量的好坏会直接确定桥梁整个施工质量。其中选择合适的合龙顺序是决定合龙段施工质量好坏的首要环节，所以合龙顺序的合理安排对桥梁建设至关重要。

近年来，国内众多学者对刚构-连续组合桥梁的合龙顺序展开研究。牟键超[1]分析合龙顺序对多跨刚构-连续组合桥梁桥墩受力的关系；陈淮等[2]分析主梁合龙段的关键技术，得出顶推力与温度变化关系的计算公式；易锦等[3]、李保俊[4]研究多种合龙顺序与体系转换对桥梁的影响；赵阳等[5]、张忠义[6]对桥梁合龙顺序进行优化设计研究，得出施加一定顶推力能提高桥墩受力性能。本文以某座大跨径多跨刚构-连续组合桥梁的主桥为依托，运用Midas/Civil软件进行建模分析，研究分析合龙顺序对刚构-连续组合桥梁的影响，并结合顶推力与温度效应作用。

1 工程概况与仿真模型

1.1 工程背景

山西至内蒙古的高速公路体系中某座大跨径多跨刚构-连续组合桥梁，其主桥跨径为(82.68 m+4×152 m+82.8 m)，主桥上部结构采用左右幅形式，单幅的主梁截面形式为单箱单室截面，主梁顶板宽15.75 m，底部宽8.5 m，0号块根部的箱梁高为10.5 m，跨中处箱梁高为3.4 m，按照二次抛物线变化，下部结构主墩采用矩形空心墩形式，墩身使用C40混凝土，其中9号、12号、13号墩为连续墩设置滑板支座，10号、11号为桥墩与主梁固结的刚构墩，下部桩基础采用钻孔灌注桩并且设置永久性钢护筒。桥型布置见图1所示。

图1 桥型布置(单位：mm)

1.2 有限元建模

本文使用Midas/Civil有限元软件建立全桥仿真模型，全桥模型共有节点1 680个，单元1 537个，其中10号、11号主墩与主梁使用弹性连接的固结模拟，9号、12号、13号连续墩及两端边跨现浇处使用弹性连接与一般支承边界条件，承台与桥墩及桩基都采用主从约束的固结，荷载作用主要考虑以下几点：自重作用、二期恒载、预应力荷载、风荷载、温度效应等影响，上部主梁单元根据悬臂浇筑施工过程进行划分，设置施工阶段依据实际施工顺序进行模拟，全梁有限元模型见图2所示。

图2 有限元模型

2 合龙顺序分析

主梁0号块采用分层浇筑，并且第一次浇筑不得少于高度1.5 m。其余梁段采用挂篮悬臂对称施工浇筑，边跨处现浇段采用支架法进行浇筑，合龙段采用挂篮前移和对称平衡法进行混凝土现浇施工。本文大跨径多跨刚构-连续组合桥梁的实际合龙方案(方案一)的合龙顺序为首先合龙中跨2、其次中跨1、接着中跨3、然后边跨合龙、最后中跨4合龙。

通过仿真模拟计算采用原来的合龙顺序(方案一)，在成桥阶段收缩徐变的终限10年后，9号墩至13号墩的墩顶纵向位移(以水平向右为正值)分别为0.018，26.76，-27.21，-0.004，-0.014 mm。可得出连续墩的纵向位移与受力比较合理，而刚构墩的纵向位移略有偏大，为了改善刚构墩的受力情况，减小纵向位移，提出优化后的合龙方案(方案二)，即：保持原先的合龙顺序，在施工刚构墩中跨2合龙段时施加顶推力；为了研究合龙顺序对多跨刚构-连续组合桥梁的影响，提出不同的合龙方案(方案三)，即：改变合龙顺序，先进行中跨4合龙，依次进行中跨3合龙和中跨1合龙，然后边跨合龙，最后进行中跨2合龙，并且进行中跨2合龙时施加顶推力。另外，提出多跨一次合龙方案(方案四)，即：对多跨合龙段进行一次合龙，并在中跨2合龙段处施加顶推力。成桥阶段收缩徐变10年后，以刚构墩的纵向水平位移基本为0为标准原则，依照参考文献[7]中的顶推力计算公式并结合Matlab软件，运用最小二乘法求出逐跨合龙时的顶推力为3 210 kN，一次合龙时的顶推力为2 860 kN。

3 不同合龙顺序对刚构-连续组合桥的影响

3.1 不同合龙顺序对上部结构主梁的应力影响

由图3可知，4种方案主梁应力曲线的极值点基本一致，仅方案三因最后一跨合龙段不同导致其应力变化也略有不同。主梁的应力变化基本在桥梁墩顶产生极大值，在跨中合龙段处取得极小值。不同的合龙顺序对主梁的应力不会产生太多影响，有无顶推力对主梁应力的变化不太明显，主梁的应力变化取决于结构特性。方案二的合龙顺序对主梁受力最为合理，主梁应力的变化范围也较小，优于其他3种合龙方案。合龙顺序对桥梁主墩的受力影响较大，方案三会使10号主墩产生最大压应力-16.799 MPa和最大拉应力16.34 MPa，方案一与方案四都会使10号主墩产生较大应力变化；相比较而言，方案二的合龙顺序对主墩产生的应力变化都要小于其他3种方案。

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220图3 恒荷载作用下关键截面的应力比较

3.2 不同合龙顺序对桥墩内力及位移的影响

桥墩顶竖向位移比较见图4，成桥阶段10号、11号主墩墩顶弯矩见表1。

图4 桥墩顶竖向位移比较

表1 成桥阶段10号、11号主墩墩顶弯矩 kN·m

由图4可知，合龙顺序的改变对桥墩竖向位移没有实质性的影响，方案一的位移比其他3种方案的位移都要大，其他3种方案的位移变化基本相同，但位移量各有差异，以方案二的竖向位移最小，这是因为其他3种方案都在刚构墩中跨2合龙段施加了顶推力，说明施加顶推力能有效减少桥墩的竖向位移，其中10号墩、11号墩施加顶推力后，竖向位移分别减少了49%，50%。

由于刚构-连续组合桥梁的连续墩在墩顶设置支座，主梁与桥墩是分离的，所以主梁的弯矩无法传递到下部桥墩上，故只需查看10号与11号刚构墩的弯矩变化。由表1可知，方案一与方案二同样的合龙顺序，仅在方案二施加顶推力后，主墩的墩顶弯矩分别减少了68%，67%；方案四与方案二相比较，多跨一次合龙并施加顶推力更能有效减少主墩墩顶弯矩；方案三的合龙顺序与方案二是相反的，由表1可知其墩顶弯矩比其他3种方案都要大很多，弯矩过大会导致桥梁结构预应力钢筋承受不了从而出现裂缝，说明方案三的合龙顺序会使桥墩受力不合理。

3.3 不同合龙顺序对上部结构及位移的影响

主梁关键截面弯矩比较见图5，主梁关键截面轴力比较见图6，主梁关键截面剪力比较见图7。

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220图5 主梁关键截面弯矩比较

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220图6 主梁关键截面轴力比较

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220图7 主梁关键截面剪力比较

由图5～图7可知，合龙顺序对主梁的内力存在实质性的影响，合龙顺序的不同会导致部分主梁截面的内力产生明显变化，例如方案三的合龙顺序会使得部分主梁截面内力与其他3种方案有明显差异，这是因为方案三采用的是先合龙连续跨合龙段最后合龙刚构跨合龙段，所以在连续跨的部分主梁截面内力几乎趋近于0。比较方案一与方案二，在合龙前施加顶推力对跨中主梁截面的内力是有利的，弯矩最大减少28%，轴力变化不大，剪力最大减少80%，说明施加顶推力能有效减少跨中主梁截面的内力。对于多跨一次合龙(方案四)与逐跨合龙方案进行对比，发现与施加顶推力的方案二主梁内力变化情况基本一致，表明多跨一次合龙施工能缩短整个合龙施工的工期，并且可以达到线形正确、受力合理、成桥快的目的，对于一些大跨径桥梁可以采取此合龙方式施工。主梁竖向位移比较见图8。

由图8可知，4种合龙方案竖向位移的变化情况基本相似，但各方案的位移量存在较大差异，4种方案的竖向位移最大值分别为65.56，62.3，73.56，72.9 mm，全桥竖向位移的极值点基本出现在跨中合龙段处，其中方案三的竖向位移最大，方案一与方案四的竖向位移次之，方案二的竖向位移最小。说明合龙顺序对主梁整体线形具有实质性的影响，方案二的合龙顺序要优于其他3种方案。

图8 主梁竖向位移比较

4 结论

(1)在成桥阶段，合龙顺序对主梁应力的影响不明显；主梁应力变化主要取决于结构自身特性，合龙顺序会对主墩应力产生显著影响；4种方案相比较而言，方案二的合龙顺序下会使桥梁结构应力变化合理。

(2)成桥阶段，不同的合龙顺序对桥墩竖向位移不会产生实质性的影响，会对上部主梁整体线形有着显著影响。竖向位移的极值点一般出现在跨中合龙段处，其中方案二的竖向位移最小，并且施加顶推力后能有效减小桥梁的竖向位移。

(3)不同的合龙顺序会导致部分主梁截面内力产生明显变化，在合龙前施加顶推力可以减少跨中主梁截面内力和刚构墩墩顶弯矩。多跨一次合龙施工能减少整个施工工期，具有线形正确，受力合理，成桥快的特点。

(4)对于多跨刚构-连续组合桥梁，从设计角度出发，按照先合龙刚构段，其次合龙两边刚构-连续段，再合龙两端边跨，最后合龙连续段的合龙顺序会使得桥梁结构受力合理，并且在合龙刚构段前施加一定的顶推力对桥梁整体线形有利。