黃勝前，楊永清

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

合龍是連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序，它使橋梁的結(jié)構(gòu)體系由靜定的T構(gòu)轉(zhuǎn)換為超靜定的連續(xù)剛構(gòu)。正是由于合龍后的結(jié)構(gòu)超靜定，溫度變化、混凝土收縮徐變等作用會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。為防止溫度變化引起的附加內(nèi)力過(guò)大，應(yīng)根據(jù)橋梁所在地的年氣溫變化資料，確定連續(xù)剛構(gòu)橋的最佳合龍溫度。設(shè)計(jì)是以結(jié)構(gòu)合龍溫度為初始值，分別考慮結(jié)構(gòu)的最高和最低有效溫度，即升溫和降溫兩種情況［1］。然而，在施工過(guò)程中，受施工進(jìn)度和工期限制，不一定能選擇在最佳合龍溫度時(shí)合龍。當(dāng)合龍溫度較高時(shí)，降溫引起的附加內(nèi)力較大，而且與混凝土收縮產(chǎn)生的附加內(nèi)力方向相同，兩者疊加起來(lái)將產(chǎn)生更大的附加內(nèi)力，因此高溫時(shí)合龍對(duì)結(jié)構(gòu)很不利。為了消除溫度和收縮徐變的影響，在連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時(shí)對(duì)梁體施加一個(gè)水平頂推力，使主墩產(chǎn)生一個(gè)反向位移，來(lái)抵消合龍后整體降溫及后期收縮徐變等作用的影響［2］。日溫差和溫度梯度也會(huì)引起箱梁縱向和豎向變形，因此不宜在溫度變化較大的情況下合龍，應(yīng)通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，選擇溫度相對(duì)穩(wěn)定、箱梁變形幅度較小的時(shí)間段鎖定勁性骨架實(shí)現(xiàn)合龍。此外，在工程中由于懸臂澆筑施工過(guò)程中線形控制不好導(dǎo)致跨中合龍時(shí)懸臂高差過(guò)大的情況，一般是通過(guò)壓重使懸臂高差達(dá)到允許值范圍內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制合龍，此時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加內(nèi)力，而且分配不均，往往嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備［3］。

1 工程背景

四川某城市跨越鐵路線立交橋，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為(60+100+60)m。橋梁分為左右兩幅，采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室截面，單幅箱梁頂板寬14.25m，底板寬9.25m，外翼板懸臂長(zhǎng)2.5m，橋面由箱梁頂板形成2%的橫坡。墩頂箱梁高6.0m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段箱梁高2.5m，從墩梁固結(jié)處至跨中箱梁高按二次拋物線變化;墩梁固結(jié)處底板厚0.8 m，跨中底板厚0.3 m，從墩梁固結(jié)處至跨中底板厚度也按二次拋物線變化;墩梁固結(jié)處腹板厚0.9 m，跨中腹板厚0.5m，在7號(hào)塊(距墩梁固結(jié)處20～24 m)腹板厚度由0.9 m按直線漸變到0.7 m，在9號(hào)塊(距墩梁固結(jié)處28～32 m)腹板厚度由0.7 m按直線漸變到0.5m。設(shè)置6道橫隔板，每個(gè)墩頂設(shè)置2道0.8 m厚的橫隔板，每個(gè)邊跨梁端設(shè)置1道1.2 m厚的橫隔板。橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用雙肢薄壁墩，厚0.8 m，肢間凈距 2.4 m，2號(hào)墩高13.28 m，3號(hào)墩高12.38 m，墩高約為跨徑的1/8。橋墩承臺(tái)厚3.5m，基礎(chǔ)為直徑2.0m的鉆孔灌注樁。箱梁采用C60混凝土，墩身采用C40混凝土，承臺(tái)和樁基礎(chǔ)采用C30混凝土。全橋立面布置見(jiàn)圖1。橋梁所在地多年平均氣溫為16℃ ～17℃，最高日平均氣溫為39.5℃，最低日平均氣溫為 -4.5℃。箱梁采用懸臂澆筑法施工，邊跨梁端9 m長(zhǎng)在落地支架上現(xiàn)澆，合龍順序?yàn)橄群淆垉蓚€(gè)邊跨再合龍中跨，設(shè)計(jì)合龍溫度為10℃ ～18℃。

2 合龍溫度的影響分析

橋梁結(jié)構(gòu)往往暴露在自然環(huán)境中，受到溫度作用的影響，主要包括常年氣溫變化和太陽(yáng)輻射，前者通常稱(chēng)為均勻溫度作用，后者稱(chēng)為梯度溫度作用。連續(xù)剛構(gòu)橋是超靜定結(jié)構(gòu)，在均勻溫度作用下的縱向變形受到約束而產(chǎn)生溫度次內(nèi)力，太陽(yáng)輻射形成的沿結(jié)構(gòu)高度方向的非線性梯度溫度也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力和變形。連續(xù)剛構(gòu)橋合龍時(shí)的溫度條件會(huì)影響到成橋后的內(nèi)力和線形，是十分關(guān)鍵的施工控制因素。

圖1 跨線立交橋立面布置(單位:m)

2.1 均勻溫度作用的影響

在考慮均勻溫度作用時(shí)，應(yīng)取結(jié)構(gòu)的有效溫度而不是氣溫。根據(jù)橋梁所在地的氣溫變化資料，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)［4］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)橋規(guī))，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最高有效溫度為38℃，最低有效溫度為-2℃。連續(xù)剛構(gòu)合龍后，當(dāng)結(jié)構(gòu)的溫度發(fā)生變化時(shí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形，由于變形受到約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。

在均勻溫度作用下結(jié)構(gòu)的變形大小與合龍時(shí)的結(jié)構(gòu)溫度差呈線性關(guān)系，溫度差越大結(jié)構(gòu)的變形越大，如圖2所示。均勻溫度作用對(duì)邊跨跨中的豎向位移影響非常小，對(duì)中跨跨中豎向位移和墩頂水平位移影響較大。當(dāng)合龍溫度越低時(shí)，升溫的幅度越大，導(dǎo)致中跨、邊跨上拱越大，墩頂向邊跨的位移越大;當(dāng)合龍溫度越高時(shí)，降溫的幅度越大，導(dǎo)致中跨、邊跨下?lián)显酱?，墩頂向中跨的位移越大?/p>

圖2 均勻溫度變化與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系

均勻溫度變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也與溫度差呈線性關(guān)系，溫度差越大結(jié)構(gòu)的內(nèi)力越大，如圖3所示。當(dāng)合龍溫度越低時(shí)，升溫的幅度越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力越大;當(dāng)合龍溫度越高時(shí)，降溫的幅度越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也越大。另外，均勻溫度作用對(duì)墩底的內(nèi)力影響遠(yuǎn)大于梁部，特別是對(duì)于矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋，由于橋墩剛度較大，均勻溫度作用對(duì)墩底的內(nèi)力影響更大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往作為控制作用參與正常使用極限狀態(tài)的最不利組合。

圖3 均勻溫度變化與結(jié)構(gòu)內(nèi)力的關(guān)系

可以看出，均勻溫度作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移都與均勻溫度的變化幅度有關(guān)，均勻溫度變化幅度越大，由此引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移也就越大。當(dāng)僅考慮均勻溫度作用時(shí)，在平均溫度合龍，均勻溫度變化幅度最小，在最大降溫、升溫作用下，控制截面的彎矩、軸力的絕對(duì)值最小，中跨跨中豎向位移和墩頂縱向水平位移的絕對(duì)值也最小。但是，由于合龍后結(jié)構(gòu)的收縮徐變會(huì)導(dǎo)致梁體下?lián)稀⒍枕斚蛑锌鐡锨徒Y(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，與升溫作用效應(yīng)恰好相反，因此一般認(rèn)為低溫合龍對(duì)結(jié)構(gòu)比較有利。

2.2 溫度梯度作用的影響

在中跨合龍時(shí)，為了選擇鎖定勁性骨架進(jìn)行合龍的最佳時(shí)間，對(duì)懸臂段豎向位移進(jìn)行了24 h連續(xù)觀測(cè)，每0.5h測(cè)1次數(shù)據(jù)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，1:00～7:00高程變化相對(duì)較平緩，5:00懸臂段豎向撓度最小，如以此為基準(zhǔn)即假定此時(shí)豎向位移為0，則16:00懸臂段豎向位移最大，端截面處豎向位移為 -16 mm。與按橋規(guī)溫度梯度作用計(jì)算的懸臂段豎向位移相比，實(shí)測(cè)的24 h內(nèi)懸臂段最大豎向位移相對(duì)小一些，如圖4所示。

圖4 懸臂段在溫度梯度作用下的位移

理論計(jì)算和實(shí)測(cè)均表明，溫度梯度作用對(duì)合龍前懸臂段的豎向位移影響較大。在選擇連續(xù)剛構(gòu)合龍時(shí)間時(shí)，應(yīng)充分考慮這一因素，否則對(duì)成橋的內(nèi)力和線形影響較大。如圖5所示，在橋規(guī)溫度梯度作用下合龍，在箱梁內(nèi)產(chǎn)生的附加彎矩達(dá) -16 000 kN·m，箱梁附加位移達(dá) -21 mm;在實(shí)測(cè)懸臂撓度最大時(shí)合龍，在箱梁內(nèi)產(chǎn)生的附加彎矩達(dá) -9 700 kN·m，箱梁附加位移達(dá)-13 mm。因此，應(yīng)當(dāng)在懸臂段豎向位移較小且變化平緩的時(shí)間段內(nèi)鎖定勁性骨架進(jìn)行合龍施工。

圖5 在溫度梯度作用下合龍對(duì)成橋狀態(tài)的影響

3 合龍高差的影響分析

在連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，由于施工控制不好，往往出現(xiàn)中跨合龍時(shí)高差過(guò)大的情況［5］。此時(shí)，一般按文獻(xiàn)［3］的處理方法，采取壓重將高程調(diào)整到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行強(qiáng)制合龍。但是，通過(guò)壓重強(qiáng)制合龍成橋后，在箱梁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的附加內(nèi)力，且結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配不均，壓重一側(cè)懸臂負(fù)彎矩很大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力十分不利。在合龍高差為5 cm和10 cm兩種情況下，通過(guò)壓重強(qiáng)制合龍后中跨箱梁的附加彎矩計(jì)算結(jié)果如圖6所示。附加彎矩與合龍高差呈線性關(guān)系，合龍高差越大成橋結(jié)構(gòu)附加彎矩越大。另外，對(duì)較大的合龍高差，確定壓重時(shí)必須考慮結(jié)構(gòu)的承載能力，因此必須在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與控制，避免出現(xiàn)合龍時(shí)高差過(guò)大的情況。

圖6 壓重調(diào)整高差強(qiáng)制合龍對(duì)成橋內(nèi)力的影響

4 頂推力的影響分析及確定方法

連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)，合龍后混凝土收縮徐變會(huì)使墩頂發(fā)生水平位移，橋墩因此發(fā)生撓曲變形并產(chǎn)生附加內(nèi)力。特別是矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋，由于墩身較矮而剛度較大，墩頂較小的位移就可在橋墩內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)力。因此，在合龍時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先調(diào)整，施加適當(dāng)?shù)捻斖屏?，使成橋后的受力狀態(tài)和線形更趨于合理。

未頂推、1 000 kN頂推力、2 000 kN頂推力三種情況下，10年收縮徐變后，剛構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移如表1所示。施加1 000 kN頂推力，墩頂水平位移減小9.2 mm，邊跨跨中豎向位移增加1.7 mm，中跨跨中豎向位移減小4.0mm;施加2 000 kN頂推力，墩頂水平位移減小18.3 mm，邊跨跨中豎向位移增加3.4 mm，中跨跨中豎向位移減小8.0mm?？梢?jiàn)，通過(guò)施加頂推力預(yù)先調(diào)整可以有效改善結(jié)構(gòu)因收縮徐變而產(chǎn)生的變形。

未頂推、1 000 kN頂推力、2 000 kN頂推力三種情況下，10年收縮徐變后，橋墩內(nèi)力如表2所示。施加1 000 kN頂推力，中跨根部彎矩增加16%，中跨跨中彎矩減小47%，墩底彎矩減小38%;施加2 000 kN頂推力，中跨根部彎矩增加32%，中跨跨中彎矩減小93%，墩底彎矩減小75%?？梢?jiàn)，通過(guò)施加頂推力預(yù)先調(diào)整可以有效改善結(jié)構(gòu)因收縮徐變而產(chǎn)生的次內(nèi)力，而使結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

表1 成橋10年后關(guān)鍵點(diǎn)位移比較 mm

表2 成橋10年后橋墩控制截面內(nèi)力比較 kN·m

此外，在施工中由于施工進(jìn)度等因素，有時(shí)不可避免選擇在高溫條件下合龍。成橋后因降溫作用將導(dǎo)致主梁縮短、墩頂產(chǎn)生向中跨方向的水平位移，主梁及橋墩將產(chǎn)生溫度附加內(nèi)力，若溫度附加內(nèi)力過(guò)大還會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。為了消除高溫合龍的不利影響，可在連續(xù)剛構(gòu)橋合龍時(shí)對(duì)梁體施加水平頂推力，抵消因溫度差引起的位移與內(nèi)力，使成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于合理范圍［6］。

綜上所述，頂推力的大小需要考慮合龍后結(jié)構(gòu)的收縮徐變和均勻溫度作用，同時(shí)還要考慮橋墩的承載能力。頂推力的大小以消除墩頂水平位移為宜，計(jì)算步驟如下:第一步，計(jì)算成橋10年后，在收縮徐變作用下墩頂水平位移，如果在高溫合龍，還需計(jì)算降溫引起的墩頂水平位移，降溫幅度按實(shí)際合龍溫度減設(shè)計(jì)合龍溫度;第二步，計(jì)算引起墩頂同樣大小反向水平位移所需的墩頂水平推力;第三步，驗(yàn)算在計(jì)算頂推力作用下墩身的承載力是否滿足要求，并留有一定安全儲(chǔ)備，若不滿足應(yīng)調(diào)整頂推力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的特點(diǎn)，以實(shí)橋?yàn)槔?，分析了合龍時(shí)的溫度(包括均勻溫度和溫度梯度)、高差及頂推力等因素對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響，得到如下結(jié)論:

1)由于矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩身剛度較大，由溫度、混凝土收縮徐變引起的墩頂較小位移即可在橋墩內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)力。

2)為減小溫度附加內(nèi)力和變形，選擇合龍溫度時(shí)應(yīng)盡量減小均勻溫度的變化幅度，同時(shí)，在一天中溫度梯度作用較小且變化緩慢的時(shí)間段內(nèi)合龍。

3)通過(guò)壓重消除合龍高差進(jìn)行強(qiáng)制合龍對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大，而且造成內(nèi)力分配不均，壓重一側(cè)負(fù)彎矩很大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力十分不利。應(yīng)在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與控制，避免出現(xiàn)合龍時(shí)高差過(guò)大的情況。

4)連續(xù)剛構(gòu)橋合龍后的收縮徐變以及高溫合龍的降溫作用導(dǎo)致墩頂向跨中的水平位移，引起結(jié)構(gòu)變形和附加內(nèi)力;通過(guò)預(yù)先施加適當(dāng)?shù)捻斖屏梢杂行У馗纳瞥蓸蚪Y(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和線形。頂推力的大小以消除收縮徐變以及高溫合龍的降溫作用導(dǎo)致的墩頂水平位移為宜，且橋墩的受力必須滿足承載力要求并留有一定安全儲(chǔ)備。

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