四跨连续刚构桥中跨合拢顶推力的确定

四跨连续刚构桥中跨合拢顶推力的确定

李健

贵州省交通建设工程质量监督局

摘要：连续刚构桥中跨合拢时施加顶推力是改善长期作用效应和合拢温差效应的一种较为理想的施工措施。本文以某大桥为工程背景，介绍了合拢顶推力的计算方法，并考虑合拢温差效应以及边跨移动铰支座的摩擦作用，得出了顶推力的优化计算公式。

关键词：连续刚构桥；合拢；顶推力；收缩徐变

0引言

合拢是桥梁施工环节中至关重要的一环。随着时间的推移，预应力混凝土连续刚构桥由于上部结构混凝土的收缩、徐变等因素使得墩顶朝着跨度较大跨的跨中方向发生偏移。桥梁施工完成边跨合拢后，在进行中跨合拢前对中跨主梁悬臂端部施加一个水平推力，使主墩墩顶向两侧产生一定量的预偏，产生与混凝土收缩、徐变作用相反的弯矩与变形，作为永久作用存于墩身内，用于抵消成桥后混凝土收缩、徐变产生的永久内力及变形，减小永久作用与温度作用组合的不利效应，顶推力对于墩身有着“免费”预应力的作用[2]。合拢前在中跨主梁悬臂端进行适当的顶推，是改善长期作用效应和温差效应的一种较为理想的施工措施[3]。

1工程概况

某大桥为四跨预应力混凝土连续刚构桥（66m+2×120m+66m），全长372m。上部结构主梁采用双箱单室截面，每个箱梁顶板宽13.75m，底板宽7.25m，翼板悬臂长3.25m。梁体横梁横向贯通设置，每个主墩位置设置两道横梁，跨中于T构悬臂15#块中间设置横梁，板厚50cm。零号块总长度为13m（2.9m+7.2m+2.9m）。每个T构的每个悬臂段纵桥向划分为15个对称梁段，梁段数及梁段长度从根部到跨中依次为5×3.0+5×3.5+5×4.0=52.5m，累计悬臂总长52.5m。合拢顺序为先边跨后中跨。主桥施工方式为分幅不同步平衡悬臂浇筑施工。大桥立面布置以及梁段划分如下图所示。

2有限元模型的建立

本文采用专业桥梁计算软件Midas/Civil，按照施工顺序建立有限元计算模型。分析按现行桥涵规范[3]取弹性模量值，材料容重按设计文件提供的混凝土与钢筋用量进行体积换算。边界条件模拟为:主梁与墩顶刚性连接，桩基考虑桩土作用，过渡墩支座模拟成活动铰支座。

图3有限元计算模型（考虑纵坡）

3顶推力的计算

国内外一些作者已经对顶推力的计算进行了一定的研究[4,5]。本文按消除墩顶水平位移法来计算合拢顶推力，收缩徐变终止时间设定为3650d(约10年)。设定合拢温差为0℃时，计算出在合拢时不施加顶推力的情况下各墩顶的位移，具体结果见表1。

表110年收缩徐变后主梁部分控制截面水平位移

（未顶推，设计合拢温度19℃）

注：表中数字正号表示向右侧变形，负号表示向左侧变形，下同。

在有限元模型计算中，需在中跨合拢前对悬臂端施加向外的纵向水平推力P，来消除表1中各墩顶的水平位移。因此，在悬臂端梁截面处分别施加0kN，100kN，200kN，300kN的顶推力，各截面处的水平位移见表2。

表2不同顶推力作用下主梁部分控制截面水平位移（单位：mm）

从表2中数据分析可看出，主梁控制截面的水平位移变化与顶推力大小基本呈线性关系，即每施加100kN的顶推力，A截面水平偏位1.6mm，B截面水平偏位1.6mm，D截面水平偏位2.386mm，E截面水平偏位2.386mm。位移的顶推量并不是完全消除表1中的水平位移。因为首先结构为超静定，随着顶推力的增大，结构位移增量与顶推力大小并不是完全线性关系，完全消除上述水平位移是很难掌控的；其次，若将上述水平位移量完全顶推到位，势必造成成桥阶段反向水平位移过大，这对桥墩的受力也是不利的[2]。因此考虑将位移顶回去50%，大桥顶推后各截面位移取顶推前各截面水平位移的50%，即50%的水平位移顶推量。

以上分析可知，A、B、D、E截面在单位水平顶推力的作用下的水平位移分别是0.016mm、0.016mm、0.02386mm、0.02386mm。在顶推力P_i作用下，各截面的水平位移量可按下式计算:

（1）

式中：δi为各截面顶推后的水平位移；δi1为单位顶推力下的各截面水平位移；Pi为顶推力；δi不顶推为未施加顶推力时各截面水平位移。

由于结构对称性，长期收缩徐变作用后，中间墩（17#墩）也是保持相对稳定，没有发生大的水平位移。为了保证顶推时中间17#墩的相对稳定，两个中跨合拢段的顶推力应保持相等，即PB=PD。通过公式（1）计算得到顶推力P=(PB+PD)/2=1018.6kN。综合考虑到顶推时墩底及墩顶的受力情况，取顶推力大小为1020kN，即102t。

在1020kN顶推力作用下墩的变形与应力如下表中所示：

表31020kN顶推力作用下各位置处的水平位移变化（单位：mm）

表41020kN顶推力作用下墩身的应力（单位：MPa）

注:表中拉应力为正，压应力为负。

4考虑温度影响的顶推力优化调整

由于工期和气温的不确定性，施工时实际合拢温度往往与设计合拢温度有一定差异。连续刚构桥是多次超静定结构，均匀温度作用会引起较大的结构次内力和墩身偏位。由于连续刚构桥合拢后升温较降温对结构受力有利，故一般不宜选择在温度变化大或者温度较高时进行合拢，尽量选择低温合拢。但是各种客观因素的存在可能会导致实际合拢温度比设计合拢温度高，则必须采取预顶推措施来消除合拢后降温引起的不利效应。

下面分析了在设计温度下合拢后整体升降温对结构的影响，本文计算了6个升降温值对主梁部分控制截面处水平位移的影响，具体见表5。

表5成桥状态下升降温——水平位移值（单位：mm）

（设计合拢温度19℃下）

由表5可以看出，各截面水平位移增量与温度变化成线性关系。而且升温使得各截面的水平位移方向较收缩徐变产生的各截面水平位移方向相反。若实际合拢温度高于设计合拢温度（即高温合拢），则要增大顶推力来抵消合拢后不利降温效应；若实际合拢温度低于设计合拢温度（即低温合拢），则合拢后会产生有利的升温效应，因而要对顶推力进行优化调整。考虑合拢温差影响后需优化的顶推力为:

5结语

大跨径混凝土连续刚构桥在中跨合拢前对主梁悬臂端施加一水平顶推力，使桥墩产生一个预偏位来抵消由于结构体系转换、上部结构混凝土收缩徐变及合拢温差等因素对桥墩的偏位影响，在实际工程中得到了广泛应用。

（1）对于超静定的多跨连续刚构桥合拢顶推力的计算，采用有限元方法进行分析更加简捷、直观。同时可以根据施工现场实际合拢温度的不同，应用简单的公式及时优化和修正顶推力大小。

（2）实际合拢温度与设计合拢温度往往有所差异。因此，要考虑合拢温差作用对顶推力的影响。低温合拢时，合拢后会产生有利的升温效应，因此要考虑适当减小顶推力；高温合拢时，合拢后会产生不利的降温效应，因此要增大顶推力来抵消不利降温效应。

（3）边跨支承的移动铰支座对主梁的顺桥向移动有摩阻力，因此顶推力应增大一部分来抵消支座摩阻力。

参考文献

[1]张刚刚,吴重男.连续刚构桥合拢段顶推力设计探讨[J].中外公路,2011,31(5):119-123.

[2]栾坤鹏,张雪松,高洪如.连续刚构桥合拢顶推力优化计算方法[J].鲁东大学学报,2011,27(1):92-96.

[3]中交公路规划设计院.JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4]刘昌国,殷灿彬.连续刚构桥高温合拢顶推力的分析与试验研究[J].公路工程,2009,34(5):83-86.

[5]李杰,陈彬.连续刚构桥顶推力计算与优化分析[J].郑州大学学报,2013,34(6):85-88.