预应力混凝土刚构-连续梁组合体系桥梁合拢次序分析

郝翠，曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有眼公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

连续刚构桥梁较连续梁桥在同等建设条件下，结构梁高可以降低，从而可以减小桥梁规模；还可以减少大吨位支座的使用等，有效的降低工程造价；施工过程中不需要体系转换，便利施工。但连续刚构桥一般要求桥墩高度较高，对于桥墩低矮的情况则不适用。实际建设过程中，可能一联桥梁中部分桥墩墩高较高，其余桥墩墩高较矮的情况，连续刚构-连续梁组合体系桥梁[1][2]就会比较合适。连续刚构-连续梁组合体系桥梁，一般采用节段悬臂拼装或悬臂现场浇筑施工，由于单联长度较长，合拢段个数较多。桥梁合拢[3][4]次序对结构内力、预拱度、施工工期及设备投入等影响较大。

1 结构概况

济南至祁门高速公速公路茨淮新河特大桥全长1343.5 m，按双向六车道高速公路标准设计，设计速度120 km/h，全线于2016年底通车。

项目位于平原区，主桥连续跨越两岸大堤(堤顶道路)及河道。主桥正交错孔布置，跨径组成为(45+80+4×85+80+45)m=590 m，上部结构为预应力混凝土刚构-连续梁组合体系现浇箱梁。主梁采用单箱单室断面，箱梁中支点处高度4.8 m(截面中线处)，悬臂端部处高度2.2 m，桥面横坡由箱梁腹板变高度形成。箱梁顶板宽度为13.125 m，底板宽度为7.125 m，两侧悬臂均为3.0 m。连续主墩采用圆端形实体墩接承台、群桩基础，墩身顺桥向厚2.5 m。刚构主墩为双肢薄壁墩接承台、群桩基础，肢厚1.0 m，肢中距为3.0 m。为方便两岸居民沟通，箱梁内侧腹板悬挂人行通道，大堤内侧通过梯道上下。桥型总体布置见图1。

2 合拢次序

多跨刚构-连续梁组合体系桥梁在悬臂施工过程中，先形成静定的T构，然后一个或多个T构合拢，形成超静定结构，直到全桥合拢。主要有以下两种合拢次序:

(1)从桥梁一侧到另一侧，逐步合拢

先逐跨合拢，形成连续体系，最后体系转换。由于固定墩的存在，不能实现由连续体系(设置临时支座)，再体系转换成刚构。故该合拢次序不适用于组合体系。

(2)一个或多个相邻T构同步合拢形成“小刚构体系”，然后再按一定的次序合拢形成“大刚构体系”。“小刚构体系”所包含的T构个数越多，所需的合拢设备也越多，投入会增大，但可以节约工期。考虑结构受力的合理性，一般情况下多对称施工。“小刚构体系”之间可以两两合拢，也可以多个同步合拢[5][6][7]，还可以多跨一次性合拢。合拢次序还需考虑施工组织的可行性，设计时需结合实际情况合理确定合拢次序。

3 有限元计算

茨淮新河特大桥为8跨刚构-连续梁组合体系结构，其中中间三个桥墩为刚构墩，其余桥墩为连续墩，跨径对称布置。为比较分析不同合拢次序对桥梁变形、结构内力及应力等的影响，在荷载作用及边界条件一致的情况下，主要分析比较合拢次序1至次序3。次序1(实施方案):边跨合拢→次边跨合拢→三个刚构墩合拢→次中跨合拢；次序2:边跨合拢→次边跨合拢→次中跨、中跨合拢；次序3:中跨、次中跨、次边跨合拢→边跨合拢。

3.1 计算模型

采用有限元分析软件桥梁博士V3.6，建立平面杆系模型分析不同合拢次序对桥梁结构受力的影响。荷载作用均按设计资料取用，三种合拢方案仅合拢次序上有差别。为了考虑刚构墩的刚度对结构受力的影响，计算模型中将刚构墩按照实际截面输入。施工过程中各连续墩临时固接，待全桥合拢后，进行体系转换。主梁采用C50混凝土，主墩采用C40混凝土。主梁、桥墩均为梁单元。全桥共分为247个单元，251个节点。计算模型及支撑体系示意图如图2、图3。

图1 茨淮新河特大桥主桥总体布置(单位：cm)

图2 计算模型

图3 计算模型支撑体系示意

3.2 计算与分析

图4-图6分别给出了三种合拢次序全桥合拢及二期恒载施加结束后，一半桥长的主梁竖向位移分布图。三种合拢次序下，主梁向上位移的极值点出现在次边跨的(1/4～1/2)L范围、向下位移的极值点出现在次中跨的跨中位置。通过位移曲线的分析，可以知道，不同的合拢次序，对位移极值点的影响较小，但位移极值存在一定的差异。施工中应结合不同的合拢次序，设置预拱度，以保证成桥线型与设计一致。

图7-图9分别给出了三种合拢次序在运营状态下，一半桥长的主梁正应力包络图。三种合拢次序下，主梁正应力的变化较小。可见成桥主应力与最终成桥结构体系有关，与具体合拢次序的关联不大。

图4 次序1成桥阶段主梁竖向位移图(单位：m)

图5 次序2成桥阶段主梁竖向位移图(单位：m)

图6 次序3成桥阶段主梁竖向位移图(单位：m)

图7 次序1运营阶段主梁正应力包络图(单位：MPa)

图8 次序2运营阶段主梁正应力包络图(单位：MPa)

图9 次序3运营阶段主梁正应力包络图(单位：MPa)

表1和表2分别给出了三种合拢次序关键阶段墩顶剪力和水平位移，刚构中墩由于在三种合拢次序下均为对称施工，故墩顶的水平力较小，施工中可不予以设置水平推力。刚构边墩存在不均衡的情况，施工中应结合实际情况确定水平推力，以调整成桥线型。

表1 刚构墩墩顶截面剪力(单位：kN)

表2 刚构墩墩顶截面水平位移(单位：mm)

4 结语

(1)结合计算分析结论，可以看出:①成桥阶段主梁的竖向位移的极值点位置与合拢次序关联不大，但极值存在较大差异，也就是说成桥线型与合拢次序存在较大相关性。施工过程中应结合具体的合拢次序，确定预拱度，以保证成桥线型与设计要求匹配；②运营阶段的主梁正应力分布及极值与合拢次关联较小，具体极值差别约在1 MPa范围内；③不同合拢次序固定墩墩顶的水平位移存在差异，水平推力设置时应充分考虑各墩的差异性。

(2)施工过程中如因施工组织(工期)、设备投入等因素需要调整合拢次序时，原则是可行的。但需要结合分析验算结论，确保结构受力合理。

(3)茨淮新河特大桥主桥合拢施工中较细致的考虑了各种荷载工况及现场设备情况，经过精心准备，严格按照既定的合拢顺序顺利实施了合拢。合拢误差控制在2 cm以内。建议对称合拢。边跨合拢后连续跨合拢，刚构墩合拢，最后全桥合拢。