多跨连续刚构桥合理合龙顺序分析

武鸿玉,邹 威

(重庆交通大学 土木建筑学院,重庆 400074)

引言

连续刚构桥是大跨度预应力混凝土桥梁的主要桥型之一,它是连续梁桥与 T形刚构桥的组合桥型,兼具二者的优点.由于省去了大型支座,不受支座吨位限制,它比连续梁桥有更大的跨越能力,而且后期维护费用极低;墩梁固结使其体系转换过程相对简单,施工安全性高.连续刚构桥多采用柔性桥墩,这种墩型对该多次超静定体系由预应力、温度变化、混凝土收缩徐变等因素引起的纵向变形有很好的适应性.连续刚构桥主要采用悬臂施工方法(悬臂浇筑或悬臂拼装),合龙之前的施工阶段,T构的结构和荷载都基本处于对称状态,受力简单明确.由于连续刚构桥中墩梁固结为一个整体,箱梁与高墩的变形与内力相互协调、相互影响,必须把二者同时分析.

合龙施工是悬臂施工预应力连续梁桥施工的重要环节,此时桥梁结构体系发生转化,尤其在多跨连续梁中,不同的合龙顺序对桥梁结构的内部应力和位移会产生一定的影响,而且施工的繁简程度、人工与设备的投入情况也有较大差异,因此要通过充分的论证,寻求结构内力与位移方面和施工繁简程度方面的最优组合,以达到最大的社会与经济效益.针对这个问题,本文以广乐高速玉井特大桥为例,通过对其应力与变形情况以及施工情况进行比较分析,得出最优合龙顺序方案.

1 工程概况

玉井特大桥主桥上部构造为50 m+3×90 m+50 m五跨预应力混凝土连续刚构桥.箱梁断面采用单箱单室,根部梁高5.7 m,跨中梁高2.6 m,顶板厚28 cm,底板厚从跨中至根部由28 cm变化为60 cm,腹板从跨中至根部分两段采用45 cm、75 cm两种厚度,箱梁高度和底板厚度按2次抛物线变化,箱梁顶板横向宽16.50 m,箱底宽8.0 m,翼缘悬臂长4.325 m.桥面铺装为10 cm沥青混凝土层,布置为0.5 m(防撞护栏)+15.568 m(行车道)+0.432 m(防撞护栏).下部结构,6#墩、9#墩为双肢等截面矩形实体薄壁墩,截面尺寸8×1.5 m,7#墩、8#墩为单肢等截面矩形空心薄壁墩,截面尺寸8×6 m.大桥整桥示意图见图1.

图1 玉井特大桥示意图

2 可能的合龙顺序讨论

目前我国修建的连续梁桥以及连续刚构桥所采用的合龙顺序一般有以下五种.

(1)先将各T构连成Π构,然后连接各个Π实现全桥合龙.这种方法又称为先静定“小合龙”,再超静定“大合龙”.“小合龙”施工中有多个工作面,各工作面之间互不影响,进度较快,合龙施工中比较灵活,当跨数增多时,可以采用多种“大合龙”的组合方式.

(2)从两端对称往中间合龙.

(3)从中间往两端对称合龙.(2)、(3)两种合龙方式都是对称施工,都有两个工作面,施工速度较快,施工组织较简单.

(4)全桥一次全部合龙.这种合龙方式无疑是施工速度最快的,但需要较多的施工人员和设备,施工中协调组织工作量大,难度高;张拉跨中合龙束时,合龙束引起较大的次内力[4].

(5)从一端依次往另一端合龙.这种方式施工中做好的 T构可以马上连成整体,施工中结构稳定性高,但施工进度太慢,尤其是在跨数较多的时候,只有在施工机具非常紧张,没有工期要求的时候可以考虑采用.

据统计第1、2种方法使用较多,第3、4种方法使用较少,第5种方法现在几乎不再使用[5].

相应于以上几种合龙顺序,本文对以下几种情况进行了对比分析.

顺序1:先合龙第1、3、5跨,再合龙第2、4跨;

顺序2:先合龙第1、5跨,然后合龙第2、4跨,最后合龙第3跨;

顺序3:先合龙第3跨,然后合龙第2、4跨,最后合龙第1、5跨;

顺序4:五跨全部一次合龙;

顺序5:依次合龙第1～5跨.

3 施工过程结构分析

本文分析采用Midas/civil7.9结构分析软件进行施工阶段分析.主桥箱梁采用C50混凝土,主桥墩身采用C40混凝土.全桥的纵横向以及竖向的预应力钢筋采用sφ15.2钢绞线,共294束.采用梁单元模拟箱梁与桥墩,箱梁划分为125个单元,桥墩划分为193个单元,全桥共划分为318个单元.6#～9#墩底端边界简化固定端,上端与箱梁刚性连接,5#墩与 10#墩为过渡墩,模型未建出,桥梁两端直接落在可动铰支座上(全桥模型见图2).1#～10#标准节段分别划分为三个施工阶段,分别为挂篮前移/拼装(1天)、混凝土浇筑(7天)、钢束张拉(1天).

图2 全桥整体空间模型

施工阶段分析中考虑的荷载有结构自重、施工荷载、预应力荷载、二期恒载,所得应力与位移均为各项荷载分别作用下的合计值,以下分析均基于最后一个施工阶段(桥面铺装完成)的结果.

表 1为各方案成桥时墩顶水平位移.从表中可以看出不同合龙顺序对刚构桥成桥后墩顶位移有一定的影响.顺序4中各墩墩顶位移均较小,从变形角度来看应该是最优方案,但是这种全桥一次合龙的施工方案,对于多跨长联的刚构桥来说施工中一次投入比较大,不够经济,除非工期要求非常紧迫,否则已几乎不再使用;顺序1中各墩顶位移比较均匀,也比较小,是目前采用较多的合龙方案;顺序3中各墩顶位移也比较均匀,但比顺序1普遍要大;顺序2与顺序5中边墩位移比其他几种顺序都要大.

表1 不同合龙顺序下墩顶位移/(m)

表2为各合龙顺序施工阶段墩身最大应力,墩身最大应力出现在墩底位置.从表中可以看出,不同合龙顺序对6#墩、9#墩最大应力影响较大,最大差值与其相应均值之比达到20%,对7#墩、8#墩影响较小,最大差值与其相应均值之比为6%到8%.各墩最大应力的最小值均出现在顺序4中,其次顺序1中边墩应力均小于其他三种,顺序2与顺序5中应力值均较大.

表2 桥墩最大应力/(MPa)

表 3为各合龙顺序成桥时箱梁顶板与地板最大应力值以及最大应力出现的截面位置.表中可以看出,顶板最大压应力出现在箱梁四分之一跨附近,底板最大压应力出现在距跨中两个号块的位置,其各种顺序最大差与相应平均值之比,顶板为6%,底板为5%,都比较小.

表3 箱梁最大应力/(MPa)

4 结论与建议

在当前我国桥梁工程大规模建设时期,连续刚构桥以其受力合理、施工技术简单可靠、经济性好、行车舒适等诸多优势成为选用最多的桥型之一.设计与施工中桥体结构的内力与变形的合理与优化是我们最为关切的问题,这是保证桥梁的安全、适用、耐久的基础;同时施工方法的简便性、安全性与经济性也是工程建设中必须考虑的问题.根据本文对依托工程桥梁的分析可以得出以下结论与建议:

不同合龙顺序对该多跨连续刚构桥墩顶位移与墩身应力影响较大,且对边墩影响比中墩要大,对箱梁顶板与底板应力影响较小.墩顶位移产生的原因可以分成两部分,一部分由箱梁轴向变形引起,一部分由荷载不对称或结构不对称引起,对各墩而言,两者或同向或反向,这要通过具体分析来确定.

通过分析比较,本桥较采用顺序1较为合理,即先合龙第1、3、5跨,再合龙第2、4跨,这也是本工程最终采用的合龙施工顺序.这种合龙顺序能使得墩顶位移与墩梁应力均取得较小值,成桥结构性能优越,而且只需两步即可完成全桥合龙,大大提高施工进度,设备一次投入较为合理,有较好的经济效益.顺序4全桥一次合龙虽然内力与位移都比较理想,但是由于一次投入大,施工协调与控制难度高,所以不推荐采用.其他几种合龙顺序与第 1种相比,在结构受力与变形控制方面或者施工方便性方面有所不及,但从结构分析结果来看,内力与变形的绝对差值都不大,当实际施工中顺序1受限制不宜采用时,也可依据实际情况选取其他几种合龙顺序.

[1] JTG D62)2004,公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范[S].

[2] JTG D60)2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2001

[4] 刘吉士,张俊义.桥梁施工百问[M].北京:人民交通出版社,2003

[5] 郝海峰.多跨预应力混凝土连续梁桥合理合龙方案研究[D].西安:长安大学硕士学位论文,2011

[6] 胡清和.多跨连续刚构桥构造分析及合龙技术研究[D].重庆:重庆交通大学硕士学位论文,2009

[7] 周 鑫,张雪松,向中富.悬臂施工连续梁桥合拢方案的讨论[J].公路交通技术,2006,4(7)