張飛　王燕

(1.福建江夏學(xué)院　福建福州　350108；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院　福建福州　350000)

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V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋合攏頂推力研究

張飛1王燕2

(1.福建江夏學(xué)院福建福州350108；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建福州350000)

以福建省尤溪縣水東大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛薞型墩連續(xù)剛構(gòu)橋合攏頂推力的計(jì)算原則進(jìn)行研究，并針對不同的合攏溫度分析了其對頂推力及結(jié)構(gòu)的變形和受力的影響。結(jié)果表明，低溫合攏工況下，在結(jié)構(gòu)變形方面，頂推時(shí)對主梁階段豎向變形控制有利，且成橋后主梁線形相對平順；在結(jié)構(gòu)受力方面，無論是在頂推時(shí)還是成橋后，各控制截面上下緣的應(yīng)力梯度相對較小，結(jié)構(gòu)受力更為安全合理，頂推作用對各種因素引起的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力消除效果較好。

V型墩；頂推力；合攏溫度

1　工程概況

福建省尤溪縣水東大橋?yàn)槭〉?04線火甲坑至尤溪城關(guān)公路改建工程中一座公路橋梁。其水東村側(cè)主橋(K6+658.2～k6+872.2)布置一聯(lián)42+2×65+42mV型墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋如圖1所示，全長214m，橋?qū)?4m(雙幅)。上部結(jié)構(gòu)以變截面連續(xù)梁為主體，橫橋向?yàn)榉蛛x雙箱梁，下部配以V型腿剛構(gòu)共同受力。V型斜腿根部連接一段豎墩，于是形成Y型墩，其工作性能與V型墩基本相同。

該橋先在支架上整體澆筑V型墩和0#塊，然后采用掛籃設(shè)備進(jìn)行對稱懸臂施工。每個(gè)V型墩上主梁的懸臂施工分為6個(gè)節(jié)段。施工中先同時(shí)合攏兩中跨，然后同時(shí)合攏兩邊跨，在中跨合攏前，須在兩中跨對稱分級采取頂推措施，達(dá)到設(shè)計(jì)的頂推力后方可澆筑合攏段。

2　有限元模型建立

本文運(yùn)用橋梁分析軟件MIDAS/Civil對尤溪水東大橋主橋的施工過程進(jìn)行正裝分析。對各個(gè)梁段的澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉以及掛籃前移工況的模擬通過激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組以及荷載組來實(shí)現(xiàn)[1]，全橋的單元?jiǎng)澐秩绫?所示，全橋的有限元模型如圖2所示。

表1　全橋單元?jiǎng)澐帧€(gè)

3　合攏頂推力的計(jì)算原則

文獻(xiàn)[2,3]中在確定連續(xù)剛構(gòu)橋合攏頂推力時(shí)，對墩頂水平位移的計(jì)算僅考慮了合攏溫度和混凝土收縮徐變效應(yīng)。本文以3#墩為例，假定在設(shè)計(jì)的合攏溫度下，只考慮后期混凝土收縮徐變效應(yīng)。通過計(jì)算，墩頂水平位移為10.4mm(方向朝向2#墩)，需要施加1 208kN的頂推力就可抵消這個(gè)水平位移。但是經(jīng)過模型分析，當(dāng)頂推力為1 208kN時(shí)，3#墩墩頂在成橋后仍產(chǎn)生5.4cm水平位移(方向朝向2#墩)，沒有全部消除墩頂?shù)乃轿灰??？梢娫撐墨I(xiàn)關(guān)于墩頂水平位移的計(jì)算不全面。

經(jīng)分析，這主要是由于中跨合攏段預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。中跨合攏后張拉預(yù)應(yīng)力階段，3#墩邊跨懸臂端處于自由狀態(tài)，中跨懸臂端與2#墩主梁懸臂端固結(jié)，且2#墩處于全橋的對稱軸位置處，不會(huì)發(fā)生水平位移。所以在張拉中跨合攏段預(yù)應(yīng)力筋后，3#墩發(fā)生了較大的朝向2#墩的偏位，墩頂水平位移為6.3mm。但是在邊跨合攏后張拉預(yù)應(yīng)力階段，3#墩邊跨主梁端部為鉸支座約束，所以在張拉邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力筋后，3#墩只發(fā)生了較小的背離2#墩的偏位，墩頂水平位移為0.9mm。這樣成橋后3#墩仍產(chǎn)生了較大的偏位(朝向2#墩)。所以，在確定頂推力，計(jì)算墩頂水平位移也要考慮合攏段預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。

綜上所述，V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋合攏頂推力的計(jì)算原則是：先計(jì)算在合攏階段無頂推工況下，由合攏溫度、后期混凝土收縮徐變、中邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等因素引起的墩頂水平位移，然后在合攏段主梁截面的形心處施加一個(gè)特定的水平頂推力，墩頂受其影響產(chǎn)生一個(gè)等值反向的位移。但由于頂推力本身的大小會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)而影響混凝土收縮徐變效應(yīng)，而且超靜定結(jié)構(gòu)中混凝土收縮徐變效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形是非線性的，所以很難依靠手算得到結(jié)果，具體的計(jì)算中需要運(yùn)用有限元軟件以成橋后墩頂水平位移為零作為目標(biāo)來對頂推力進(jìn)行控制，通過多次試算確定。

4　合攏溫度對頂推力及線形和受力的影響

由上述分析，影響頂推力確定的3個(gè)主要因素中，后期混凝土收縮徐變、中邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力效應(yīng)是相對固定的因素，而合攏溫度是一個(gè)不可預(yù)見的隨機(jī)因素。對于不同的合攏溫度，合攏階段需要實(shí)施的頂推力不同，進(jìn)而造成成橋后結(jié)構(gòu)的線形和受力情況也大不一樣。所以，本文針對不同的合攏溫度進(jìn)行研究，為施工合攏溫度的選取提供指導(dǎo)，以求使橋梁結(jié)構(gòu)的線形和受力情況達(dá)到最優(yōu)。

4.1計(jì)算工況

本文的尤溪水東大橋主橋設(shè)計(jì)的合攏溫度是18℃，考慮季節(jié)溫度變化在-2℃～38℃范圍內(nèi)。下面選取3種工況，探究合攏溫差對頂推力及結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力狀況的影響。

工況1：合攏溫度5℃(低溫合攏)；

工況2：合攏溫度18℃；

工況3：合攏溫度30℃(高溫合攏)；

4.2墩頂水平位移與頂推力計(jì)算

3種工況下，1#墩和3#墩的墩頂水平位移和頂推力計(jì)算結(jié)果如表2所示。墩頂水平位移以朝向河中心為正，頂推力以壓力為正。由表可以看出，頂推力的計(jì)算符合“高溫大頂推，低溫小頂推”的原則[4]。

4.3結(jié)構(gòu)變形分析

3種工況下，主梁頂推階段和成橋后豎向線形的結(jié)果如圖3-5所示。其中，頂推階段變形結(jié)果以3#墩和2#墩為例，主梁位置中，“1#”表示1#墩中心位置，“2”表示主梁2#節(jié)塊端截面。豎向位移以向上為正。

由圖3可知，隨著合攏溫度的增加，3#墩主梁頂推階段豎向變形越來越大。中跨側(cè)懸臂端上撓(65.69mm∶98.54mm∶125.80mm)；邊跨側(cè)懸臂端下?lián)?65.14mm∶97.71mm∶124.70mm)。所以，高溫合攏對頂推工況的主梁豎向變形控制不利，低溫合攏對頂推工況的主梁豎向變形控制有利。

由圖4可知，頂推工況對2#墩主梁豎向變形影響較小，懸臂端上撓(0.56mm：0.84mm：1.07mm)，相對于邊墩主梁的豎向變形較小。

由圖5可知，3種合攏溫度工況對成橋后(溫度恢復(fù)到年平均氣溫)主梁豎向線形影響較大，線形突變的位置發(fā)生在合攏段兩側(cè)?？梢?，頂推對主梁線形的影響遠(yuǎn)大于主梁自重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對主梁線形的影響。隨著合攏溫度的升高，頂推力越來越大，成橋后主梁豎向線形越來越不平順。所以，從主梁成橋后線形控制上看，工況1(低溫合攏)比較有利。

4.4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

不同的合攏溫度，需要設(shè)置不同的頂推力，將導(dǎo)致成橋后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況大不一樣。尤其是對橋梁墩部的受力情況影響較大。為了更好地表述3種不同合攏溫度工況對成橋后結(jié)構(gòu)的受力情況的影響，選取全橋的若干控制截面如圖6所示。3種合攏溫度工況在頂推后和成橋后結(jié)構(gòu)各控制截面的應(yīng)力如表3～4所示。應(yīng)力以壓為正，拉為負(fù)；帶括號(hào)的數(shù)值表示此處已開裂，為鋼筋的應(yīng)力。

MPa

表4　成橋后結(jié)構(gòu)各控制截面應(yīng)力　單位：MPa

由表3可以看出，頂推力對邊墩的受力情況影響較大，邊跨側(cè)受較大的壓應(yīng)力，中跨側(cè)受較大的拉應(yīng)力。隨著合攏溫度的升高，頂推力越來越大，V型撐底部截面和豎墩頂?shù)撞拷孛嫔舷戮墤?yīng)力梯度也呈增加趨勢，尤其是墩底截面，甚至出現(xiàn)開裂，如工況3(高溫合攏)墩底截面中跨側(cè)開裂，鋼筋承受較大的拉應(yīng)力(-112.0MPa)。對于工況1(低溫合攏)，頂推后各截面上下緣應(yīng)力梯度相對較小，墩底不開裂，有利于頂推施工階段結(jié)構(gòu)的受力，施工較安全。

由表4可知，3種合攏溫度工況對成橋后主梁的受力情況影響較小，各截面應(yīng)力變化幅度不大。但對邊墩產(chǎn)生了較大的影響，隨著合攏溫度的升高，V型墩各截面上下緣應(yīng)力梯度呈快速的增長，工況2和3中，豎墩頂部截面中跨側(cè)出現(xiàn)開裂。工況1中頂推力對各種因素引起的次內(nèi)力消除較好，成橋后各截面上下緣應(yīng)力梯度相對較小，這主要是由于低溫合攏時(shí)，成橋后結(jié)構(gòu)受升溫荷載產(chǎn)生的次內(nèi)力與后期混凝土收縮徐變引起的次內(nèi)力正好相反，可以相互抵消，而高溫合攏時(shí)則是兩者疊加在一起。

5　結(jié)論

通過3種工況的對比研究，可以得到以下結(jié)論：

1)低溫合攏，需要設(shè)置較小的頂推力；高溫合攏，需要設(shè)置較大的頂推力。

2)低溫合攏，頂推時(shí)主梁階段豎向變形控制有利，且成橋后主梁線形相對平順；而高溫合攏則不利于成橋后主梁的線形。

3)低溫合攏，不僅在頂推后還是成橋后結(jié)構(gòu)受力都更為安全合理，各控制截面上下緣的應(yīng)力梯度相對較小，對各種因素引起的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力消除效果較好，且在頂推階段可避免墩底開裂，保證施工安全，而高溫合攏則不利。

[1]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS6.70使用說明[Z]. 北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2002.

[2]周舟，蘇智，顏東煌.大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋合攏施工措施[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，3(4)：36-39

[3]朱榮，胡成，何沛祥，等.Y型支撐剛構(gòu)橋合攏合攏頂推力計(jì)算及受力性能分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，18(2) ：57-61

[4]鄒毅松，單榮相.連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力的確定[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(2)：12-15

張飛(1987-)，男，碩士，工程師,主要從事大跨度橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究。

王燕(1987-)，女，碩士，助教，主要從事水工結(jié)構(gòu)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

張飛(1987-)，男，工程師。

E-mail:597586597@qq.com

2016-03-04

U445

A

1004-6135(2016)03-0089-04