周興林 寧曉駿 張清旭 董福民

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

大跨徑多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁是結(jié)合了連續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)，具有行車平穩(wěn)、跨越能力強(qiáng)、施工便捷等特點(diǎn)。合龍段施工是整個(gè)橋梁工程中最關(guān)鍵的施工步驟，合龍段施工可以調(diào)整橋梁整體線形及橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，施工質(zhì)量的好壞會(huì)直接確定橋梁整個(gè)施工質(zhì)量。其中選擇合適的合龍順序是決定合龍段施工質(zhì)量好壞的首要環(huán)節(jié)，所以合龍順序的合理安排對(duì)橋梁建設(shè)至關(guān)重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的合龍順序展開(kāi)研究。牟鍵超[1]分析合龍順序?qū)Χ嗫鐒倶?gòu)-連續(xù)組合橋梁橋墩受力的關(guān)系；陳淮等[2]分析主梁合龍段的關(guān)鍵技術(shù)，得出頂推力與溫度變化關(guān)系的計(jì)算公式；易錦等[3]、李保俊[4]研究多種合龍順序與體系轉(zhuǎn)換對(duì)橋梁的影響；趙陽(yáng)等[5]、張忠義[6]對(duì)橋梁合龍順序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得出施加一定頂推力能提高橋墩受力性能。本文以某座大跨徑多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的主橋?yàn)橐劳?，運(yùn)用Midas/Civil軟件進(jìn)行建模分析，研究分析合龍順序?qū)倶?gòu)-連續(xù)組合橋梁的影響，并結(jié)合頂推力與溫度效應(yīng)作用。

1 工程概況與仿真模型

1.1 工程背景

山西至內(nèi)蒙古的高速公路體系中某座大跨徑多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，其主橋跨徑為(82.68 m+4×152 m+82.8 m)，主橋上部結(jié)構(gòu)采用左右幅形式，單幅的主梁截面形式為單箱單室截面，主梁頂板寬15.75 m，底部寬8.5 m，0號(hào)塊根部的箱梁高為10.5 m，跨中處箱梁高為3.4 m，按照二次拋物線變化，下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形空心墩形式，墩身使用C40混凝土，其中9號(hào)、12號(hào)、13號(hào)墩為連續(xù)墩設(shè)置滑板支座，10號(hào)、11號(hào)為橋墩與主梁固結(jié)的剛構(gòu)墩，下部樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁并且設(shè)置永久性鋼護(hù)筒。橋型布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：mm)

1.2 有限元建模

本文使用Midas/Civil有限元軟件建立全橋仿真模型，全橋模型共有節(jié)點(diǎn)1 680個(gè)，單元1 537個(gè)，其中10號(hào)、11號(hào)主墩與主梁使用彈性連接的固結(jié)模擬，9號(hào)、12號(hào)、13號(hào)連續(xù)墩及兩端邊跨現(xiàn)澆處使用彈性連接與一般支承邊界條件，承臺(tái)與橋墩及樁基都采用主從約束的固結(jié)，荷載作用主要考慮以下幾點(diǎn)：自重作用、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、風(fēng)荷載、溫度效應(yīng)等影響，上部主梁?jiǎn)卧鶕?jù)懸臂澆筑施工過(guò)程進(jìn)行劃分，設(shè)置施工階段依據(jù)實(shí)際施工順序進(jìn)行模擬，全梁有限元模型見(jiàn)圖2所示。

圖2 有限元模型

2 合龍順序分析

主梁0號(hào)塊采用分層澆筑，并且第一次澆筑不得少于高度1.5 m。其余梁段采用掛籃懸臂對(duì)稱施工澆筑，邊跨處現(xiàn)澆段采用支架法進(jìn)行澆筑，合龍段采用掛籃前移和對(duì)稱平衡法進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆施工。本文大跨徑多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的實(shí)際合龍方案(方案一)的合龍順序?yàn)槭紫群淆堉锌?、其次中跨1、接著中跨3、然后邊跨合龍、最后中跨4合龍。

通過(guò)仿真模擬計(jì)算采用原來(lái)的合龍順序(方案一)，在成橋階段收縮徐變的終限10年后，9號(hào)墩至13號(hào)墩的墩頂縱向位移(以水平向右為正值)分別為0.018，26.76，-27.21，-0.004，-0.014 mm?？傻贸鲞B續(xù)墩的縱向位移與受力比較合理，而剛構(gòu)墩的縱向位移略有偏大，為了改善剛構(gòu)墩的受力情況，減小縱向位移，提出優(yōu)化后的合龍方案(方案二)，即：保持原先的合龍順序，在施工剛構(gòu)墩中跨2合龍段時(shí)施加頂推力；為了研究合龍順序?qū)Χ嗫鐒倶?gòu)-連續(xù)組合橋梁的影響，提出不同的合龍方案(方案三)，即：改變合龍順序，先進(jìn)行中跨4合龍，依次進(jìn)行中跨3合龍和中跨1合龍，然后邊跨合龍，最后進(jìn)行中跨2合龍，并且進(jìn)行中跨2合龍時(shí)施加頂推力。另外，提出多跨一次合龍方案(方案四)，即：對(duì)多跨合龍段進(jìn)行一次合龍，并在中跨2合龍段處施加頂推力。成橋階段收縮徐變10年后，以剛構(gòu)墩的縱向水平位移基本為0為標(biāo)準(zhǔn)原則，依照參考文獻(xiàn)[7]中的頂推力計(jì)算公式并結(jié)合Matlab軟件，運(yùn)用最小二乘法求出逐跨合龍時(shí)的頂推力為3 210 kN，一次合龍時(shí)的頂推力為2 860 kN。

3 不同合龍順序?qū)倶?gòu)-連續(xù)組合橋的影響

3.1 不同合龍順序?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)主梁的應(yīng)力影響

由圖3可知，4種方案主梁應(yīng)力曲線的極值點(diǎn)基本一致，僅方案三因最后一跨合龍段不同導(dǎo)致其應(yīng)力變化也略有不同。主梁的應(yīng)力變化基本在橋梁墩頂產(chǎn)生極大值，在跨中合龍段處取得極小值。不同的合龍順序?qū)χ髁旱膽?yīng)力不會(huì)產(chǎn)生太多影響，有無(wú)頂推力對(duì)主梁應(yīng)力的變化不太明顯，主梁的應(yīng)力變化取決于結(jié)構(gòu)特性。方案二的合龍順序?qū)χ髁菏芰ψ顬楹侠?，主梁?yīng)力的變化范圍也較小，優(yōu)于其他3種合龍方案。合龍順序?qū)蛄褐鞫盏氖芰τ绊戄^大，方案三會(huì)使10號(hào)主墩產(chǎn)生最大壓應(yīng)力-16.799 MPa和最大拉應(yīng)力16.34 MPa，方案一與方案四都會(huì)使10號(hào)主墩產(chǎn)生較大應(yīng)力變化；相比較而言，方案二的合龍順序?qū)χ鞫债a(chǎn)生的應(yīng)力變化都要小于其他3種方案。

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220圖3 恒荷載作用下關(guān)鍵截面的應(yīng)力比較

3.2 不同合龍順序?qū)蚨諆?nèi)力及位移的影響

橋墩頂豎向位移比較見(jiàn)圖4，成橋階段10號(hào)、11號(hào)主墩墩頂彎矩見(jiàn)表1。

圖4 橋墩頂豎向位移比較

表1 成橋階段10號(hào)、11號(hào)主墩墩頂彎矩 kN·m

由圖4可知，合龍順序的改變對(duì)橋墩豎向位移沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響，方案一的位移比其他3種方案的位移都要大，其他3種方案的位移變化基本相同，但位移量各有差異，以方案二的豎向位移最小，這是因?yàn)槠渌?種方案都在剛構(gòu)墩中跨2合龍段施加了頂推力，說(shuō)明施加頂推力能有效減少橋墩的豎向位移，其中10號(hào)墩、11號(hào)墩施加頂推力后，豎向位移分別減少了49%，50%。

由于剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的連續(xù)墩在墩頂設(shè)置支座，主梁與橋墩是分離的，所以主梁的彎矩?zé)o法傳遞到下部橋墩上，故只需查看10號(hào)與11號(hào)剛構(gòu)墩的彎矩變化。由表1可知，方案一與方案二同樣的合龍順序，僅在方案二施加頂推力后，主墩的墩頂彎矩分別減少了68%，67%；方案四與方案二相比較，多跨一次合龍并施加頂推力更能有效減少主墩墩頂彎矩；方案三的合龍順序與方案二是相反的，由表1可知其墩頂彎矩比其他3種方案都要大很多，彎矩過(guò)大會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼筋承受不了從而出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明方案三的合龍順序會(huì)使橋墩受力不合理。

3.3 不同合龍順序?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)及位移的影響

主梁關(guān)鍵截面彎矩比較見(jiàn)圖5，主梁關(guān)鍵截面軸力比較見(jiàn)圖6，主梁關(guān)鍵截面剪力比較見(jiàn)圖7。

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220圖5 主梁關(guān)鍵截面彎矩比較

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220圖6 主梁關(guān)鍵截面軸力比較

1—12；2—26；3—49；4—71；5—93；6—116；7—137；8—160；9—183；10—206；11—220圖7 主梁關(guān)鍵截面剪力比較

由圖5～圖7可知，合龍順序?qū)χ髁旱膬?nèi)力存在實(shí)質(zhì)性的影響，合龍順序的不同會(huì)導(dǎo)致部分主梁截面的內(nèi)力產(chǎn)生明顯變化，例如方案三的合龍順序會(huì)使得部分主梁截面內(nèi)力與其他3種方案有明顯差異，這是因?yàn)榉桨溉捎玫氖窍群淆堖B續(xù)跨合龍段最后合龍剛構(gòu)跨合龍段，所以在連續(xù)跨的部分主梁截面內(nèi)力幾乎趨近于0。比較方案一與方案二，在合龍前施加頂推力對(duì)跨中主梁截面的內(nèi)力是有利的，彎矩最大減少28%，軸力變化不大，剪力最大減少80%，說(shuō)明施加頂推力能有效減少跨中主梁截面的內(nèi)力。對(duì)于多跨一次合龍(方案四)與逐跨合龍方案進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與施加頂推力的方案二主梁內(nèi)力變化情況基本一致，表明多跨一次合龍施工能縮短整個(gè)合龍施工的工期，并且可以達(dá)到線形正確、受力合理、成橋快的目的，對(duì)于一些大跨徑橋梁可以采取此合龍方式施工。主梁豎向位移比較見(jiàn)圖8。

由圖8可知，4種合龍方案豎向位移的變化情況基本相似，但各方案的位移量存在較大差異，4種方案的豎向位移最大值分別為65.56，62.3，73.56，72.9 mm，全橋豎向位移的極值點(diǎn)基本出現(xiàn)在跨中合龍段處，其中方案三的豎向位移最大，方案一與方案四的豎向位移次之，方案二的豎向位移最小。說(shuō)明合龍順序?qū)χ髁赫w線形具有實(shí)質(zhì)性的影響，方案二的合龍順序要優(yōu)于其他3種方案。

圖8 主梁豎向位移比較

4 結(jié)論

(1)在成橋階段，合龍順序?qū)χ髁簯?yīng)力的影響不明顯；主梁應(yīng)力變化主要取決于結(jié)構(gòu)自身特性，合龍順序會(huì)對(duì)主墩應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響；4種方案相比較而言，方案二的合龍順序下會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化合理。

(2)成橋階段，不同的合龍順序?qū)蚨肇Q向位移不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，會(huì)對(duì)上部主梁整體線形有著顯著影響。豎向位移的極值點(diǎn)一般出現(xiàn)在跨中合龍段處，其中方案二的豎向位移最小，并且施加頂推力后能有效減小橋梁的豎向位移。

(3)不同的合龍順序會(huì)導(dǎo)致部分主梁截面內(nèi)力產(chǎn)生明顯變化，在合龍前施加頂推力可以減少跨中主梁截面內(nèi)力和剛構(gòu)墩墩頂彎矩。多跨一次合龍施工能減少整個(gè)施工工期，具有線形正確，受力合理，成橋快的特點(diǎn)。

(4)對(duì)于多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，按照先合龍剛構(gòu)段，其次合龍兩邊剛構(gòu)-連續(xù)段，再合龍兩端邊跨，最后合龍連續(xù)段的合龍順序會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，并且在合龍剛構(gòu)段前施加一定的頂推力對(duì)橋梁整體線形有利。