摘要：大跨連續(xù)剛構(gòu)合龍前頂推施工是改善全橋受力性能的重要措施。為研究墩高對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)頂推力的影響，文章以某高速公路主跨220 m大跨連續(xù)剛構(gòu)為工程實(shí)例，分析了不同墩高下合龍溫差和收縮徐變引起的主墩墩頂順橋向位移情況，在此基礎(chǔ)上，得到了剛構(gòu)合龍時(shí)的合理頂推力。分析方法和計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨連續(xù)剛構(gòu)；頂推力；合龍溫差；收縮徐變

中圖分類號(hào)：U455.462

0 引言

受橋位地形地質(zhì)影響，橋梁建設(shè)的重要內(nèi)容是適宜的橋型選擇。對(duì)于市政橋而言，一般跨度不大，鋼橋自重輕、景觀效果好，往往是市政橋的主要橋型形式。而在高速公路的大規(guī)模建設(shè)和交通強(qiáng)國(guó)的背景下，城市間互通互聯(lián)的交通網(wǎng)已成為激活經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大動(dòng)脈。我國(guó)幅員遼闊，不同區(qū)域地形地貌差異大，高速公路建設(shè)涉及各種橋型。其中，跨江跨海通道主橋橋型多選擇斜拉橋和懸索橋；跨越山區(qū)峽谷、河道等大多采用連續(xù)剛構(gòu)、拱橋等橋型。相比于拱橋、斜拉橋和懸索橋而言，連續(xù)剛構(gòu)適應(yīng)的跨徑區(qū)間大、應(yīng)用范圍廣泛，是高速公路建設(shè)的重要橋型之一。連續(xù)剛構(gòu)在主墩處墩梁固結(jié)，溫度效應(yīng)、收縮徐變等對(duì)全橋受力影響較大，且跨徑越大，影響越為顯著。

連續(xù)剛構(gòu)服役期內(nèi)收縮徐變將引起主墩向主跨方向偏位，導(dǎo)致跨中下?lián)虾椭鞫帐芾瓊?cè)開(kāi)裂。在主跨跨中合龍段施工前，綜合考慮后期的收縮徐變，及合龍時(shí)設(shè)計(jì)溫度和實(shí)際施工溫度的差異，通常采用頂推措施對(duì)主梁向邊跨側(cè)進(jìn)行頂推，以改善全橋整體受力。劉華等基于有限元方法對(duì)某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)頂推施工進(jìn)行了數(shù)值模擬［1］；曹彥青探討了永久作用和合龍溫差雙重作用下的頂推力合理取值［2］；何磊祖基于結(jié)構(gòu)力學(xué)解析式方法，對(duì)三跨連續(xù)剛構(gòu)理論解和實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比研究［3］；葛利杰分析了高低墩狀態(tài)下連續(xù)剛構(gòu)頂推力計(jì)算方法［4］；郭增社等探討了連續(xù)剛構(gòu)中跨合龍勁性骨架安裝、頂推錨固與混凝土澆筑施工關(guān)鍵技術(shù)［5］；黃杜康基于響應(yīng)面法，系統(tǒng)分析了連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推關(guān)鍵參數(shù)的選取并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性［6］。目前關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推方面的研究較多的聚焦于固定墩高情形，且主跨大多＜200 m?；诖耍疚囊阅掣咚俟分骺?20 m大跨連續(xù)剛構(gòu)為分析對(duì)象，對(duì)不同墩高下合龍頂推力進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)的施工提供依據(jù)。

1 頂推力計(jì)算方法

目前橋梁建設(shè)中，連續(xù)剛構(gòu)大多以三跨為主，中跨合龍前兩側(cè)結(jié)構(gòu)受力互不干擾，考慮到邊支點(diǎn)可簡(jiǎn)化為活動(dòng)鉸支座約束形式，因此，合龍前取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，受力如圖1所示。連續(xù)剛構(gòu)合龍前受力可簡(jiǎn)化為T(mén)構(gòu)形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)力法原理，該結(jié)構(gòu)為一次超靜定結(jié)構(gòu)，X1為贅余力。

根據(jù)力法原理，設(shè)δ11和Δ1P分別為圖1中贅余力方向由單位贅余力和頂推力P引起的位移，則可得式（1）：

由式（6）可知，頂推力與主梁、主墩截面剛度、邊跨長(zhǎng)度和墩高密切相關(guān)。通過(guò)有限元軟件計(jì)算主墩墩頂水平位移Δx，即可求得頂推力大小。

2 工程背景

某高速公路為跨越深溝，通過(guò)經(jīng)濟(jì)比選，主橋采用（117+220+117） m三跨連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)速度為80 km/h，按公路-Ⅰ級(jí)活載進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋面總寬為12.25 m。主梁采用單箱單室截面，箱梁底寬6.5 m。主墩和跨中梁高與主跨之比分別按照1/16～1/18和1/30～1/55進(jìn)行取值，本次設(shè)計(jì)取13.5 m和4.5 m?？缰薪孛嫣庬敯?、腹板和底板厚度分別為30 cm、60 cm和32 cm，腹板順橋向由主墩處90 cm依次按照75 cm和60 cm進(jìn)行兩次漸變。梁底曲線和底板厚度按照1.6次拋物線進(jìn)行變化。橋型布置如圖2所示。

主墩墩高分別為145 m和160 m，按雙肢薄壁-箱型組合墩進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］。中跨跨中合龍段長(zhǎng)度為2.5 m，全橋共劃分29個(gè)懸澆段。主梁和主墩均采用C55混凝土材料，箱梁按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

3 墩高的選取

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩選型是此類橋型設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，一般而言，主跨越大，墩高越高。本次進(jìn)行橋墩選型時(shí)，墩高≤80 m時(shí)采用雙肢薄壁墩，墩高＞80 m后采用雙肢薄壁-箱型組合墩。橋墩截面如圖3所示，其中雙肢薄壁部分截面尺寸與單箱三室外側(cè)箱室尺寸保持一致。

當(dāng)大跨連續(xù)剛構(gòu)主墩墩高不一致時(shí)，往往分別計(jì)算合龍前兩主墩的頂推力，然后取平均值作為施工時(shí)的頂推力［8］?？紤]到圖2中主墩墩高差異不大，為便于分析，取主墩墩高一致，保持上部結(jié)構(gòu)不變，下部結(jié)構(gòu)主墩墩高依次取40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m和160 m進(jìn)行分析，以此研究墩高對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)合龍頂推力的影響。

4 分析結(jié)果

4.1 合龍溫差和收縮徐變選取情況

合龍后環(huán)境升溫對(duì)于全橋整體受力較好，因此設(shè)計(jì)時(shí)通常將合龍溫度取為低值，結(jié)合本橋橋位環(huán)境情況，設(shè)計(jì)合龍溫度為（15±5） ℃。而實(shí)際施工時(shí)，將溫度控制在設(shè)計(jì)合龍溫度內(nèi)較為困難，實(shí)際溫度往往高于設(shè)計(jì)合龍溫度，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，取合龍溫差15 ℃進(jìn)行分析，設(shè)溫差引起的主墩墩頂位移為ΔxT。全橋收縮徐變按照10年考慮，一方面頂推時(shí)支座摩擦力會(huì)平衡一部分頂推力，另一方面收縮徐變時(shí)間漫長(zhǎng)，合龍時(shí)完全消除收縮徐變產(chǎn)生的墩頂變形對(duì)全橋初期受力極為不利，根據(jù)相關(guān)研究成果［9-10］，設(shè)收縮徐變頂推位移取為0.8×0.8×ΔxS，即0.64ΔxS。因此合龍前主墩墩頂總頂推位移Δx如式（7）：

4.2 有限元分析模型

基于Midas Civil軟件，采用空間梁?jiǎn)卧?，考慮不同施工階段，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸分別建立不同墩高下的有限元模型，其中主梁共包含264個(gè)單元，下部結(jié)構(gòu)為確保計(jì)算精度，單元長(zhǎng)度取為2 m，分叉點(diǎn)位置采用彈性連接中的剛接進(jìn)行連接，邊支點(diǎn)按照活動(dòng)鉸支座約束形式對(duì)梁底進(jìn)行約束。有限元模型如圖4所示。

4.3 不同墩高頂推力分析

由式（6）和（7）可知，確定頂推力的關(guān)鍵是求解主墩墩頂順橋向位移Δx及其主墩抗推剛度K。基于Midas Civil軟件，計(jì)算得到不同墩高下墩頂順橋向位移-頂推力變化曲線，如圖5所示。

計(jì)算得到不同墩高下頂推力與墩頂順橋向位移基本呈線性關(guān)系。整體而言，主墩抗推剛度隨墩高增大而減小，但當(dāng)墩高由80 m增大至100 m時(shí)，抗推剛度降低不明顯，表明雙肢薄壁墩具有較好的柔性性能。在圖5的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算主墩在溫差和收縮徐變作用下的主墩墩頂順橋向位移，分別得到不同墩高下的K、ΔxT、ΔxS和Δx（見(jiàn)表1），主墩墩頂順橋向位移-墩高變化曲線如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明：（1）當(dāng)墩高≤80 m時(shí)合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移與墩高均呈非線性關(guān)系，當(dāng)墩高＞80 m時(shí)合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移與墩高近似呈線性關(guān)系；（2）隨墩高的增大，合龍溫差和收縮徐變引起的墩頂順橋向位移也不斷增大，但當(dāng)墩高＞80 m后，墩頂順橋向位移變化趨勢(shì)變緩，這與雙肢薄壁-箱型組合墩抗推剛度變化情況密切相關(guān)。

根據(jù)主墩抗推剛度K和總頂推位移Δx，進(jìn)一步計(jì)算得到墩高40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m和160 m下合龍總頂推力大小分別為7 869 kN、2 505 kN、1 086 kN、1 025 kN、881 kN、733 kN和597 kN。從合龍總頂推力變化情況來(lái)看，當(dāng)墩高＜80 m時(shí)，頂推力數(shù)值過(guò)大，對(duì)合龍勁性骨架要求較高，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，建議主跨220 m連續(xù)剛構(gòu)墩高宜≥80 m。此外，通過(guò)提取不同墩高下的主墩墩底成橋10年后的彎矩發(fā)現(xiàn)，施加頂推力可使彎矩降低30%～60%，且高墩墩底彎矩的改善效果相比于低墩更為顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某高速公路（117+220+117） m三跨連續(xù)剛構(gòu)為分析對(duì)象，基于Midas Civil軟件，分析了不同墩高下由合龍溫差和收縮徐變引起的主墩墩頂順橋向位移，并得到了合龍總頂推力，主要結(jié)論如下：

（1）雙肢薄壁墩抗推剛度隨墩高的增加其數(shù)值降低較快，此時(shí)頂推總位移與墩高呈非線性關(guān)系，頂推力水平處于較高水平，不利于施工控制。

（2）當(dāng)主墩墩高＞80 m后，即主墩采用雙肢薄壁-箱型組合墩，此類橋墩抗推性能較好，且隨墩高增大，主墩墩頂順橋向位移變化較為平緩，頂推力可控制在600～1 000 kN。此外，頂推力對(duì)主墩墩底彎矩改善效果較好。

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收稿日期：2023-10-09

作者簡(jiǎn)介：王 杰（1991—），工程師，主要從事路橋安全生產(chǎn)管理工作。