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文章学习

大跨径连续刚构桥中跨合龙顶推施工效应分析

时间:2024/6/6 8:26:53   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:4   评论:0
内容摘要:李军杰[上海公路桥梁(集团)有限公司,上海 200433]摘要 为分析刚构桥顶推施工效应,文章以(95+175+95)m预应力混凝土连续刚构桥为例,通过有限元数值法计算桥梁施工顶推力,对比分析理论非顶推施工与实际顶推施工各施工阶段的应力、纵向位移及竖向位移。研究表明,以...
李军杰
[上海公路桥梁(集团)有限公司,上海 200433]
摘要 为分析刚构桥顶推施工效应,文章以(95+175+95)m预应力混凝土连续刚构桥为例,通过有限元数值法计算桥梁施工顶推力,对比分析理论非顶推施工与实际顶推施工各施工阶段的应力、纵向位移及竖向位移。研究表明,以墩顶面纵向位移值为控制指标,能有效计算施工顶推力。高、低双肢薄壁墩纵向位移对顶推力敏感程度差异较大。顶推力能改善结构受力状态,但影响程度较小。
关键词 连续刚构桥;合龙;顶推力;有限元分析;施工测量
中图分类号 U445.4  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0042-04
0 引言
双支薄壁墩连续刚构桥具有较强跨越能力[1],对温度、收缩徐变及支座沉降等作用引起的桥墩位移有较好适应性,具有降低墩顶负弯矩、减小结构内力、优化整体刚度等优势。刚构桥合龙施工阶段对梁体施加水平顶推力,使墩顶产生水平位移以抵抗温差、收缩徐变及施工各阶段引起的反向位移[2]。
其中,王磊等[3]根据最小势能原理,推导刚构桥合龙顶推位移计算方法;陈金盛[4]采用有限元法,分析墩顶水平变位与顶推力之间的关系;滕树元[5]建立结构变形预测模型,分析顶推合龙对结构长期线形的影响;吴锋等[6]采用线性迭代计算的方法,分析多跨混凝土连续刚构桥最佳顶推合龙方案;郑国富等[7]对比分析顶推力对双肢及四肢薄壁墩结构的影响,并计算合理顶推力。相关文献多数集中于合理顶推力计算、顶推合龙方案及顶推对结构线形影响等研究,对刚构桥不等高双肢薄壁墩的顶推合龙施工研究较少。
因此,该文以高、低双肢薄壁墩的预应力混凝土连续刚构桥为研究对象,采用有限元数值方法计算合龙顶推力,分析连续刚构桥主梁和双肢薄壁墩位移、应力效应,评价顶推施工后高低墩连续刚构桥的稳定性及刚度。
1 工程概况
(95+175+95)m预应力混凝土连续刚构桥,采用C55聚丙烯纤维混凝土,下部为不等高、不等厚的双支薄壁墩,如图1所示。该桥主梁为单箱单室箱梁截面,箱梁根部梁高11.2 m,跨中梁高5 m;箱梁梁高按1.8次抛物线渐变,渐变段长度为81.75 m。箱梁顶宽16.31 m,厚0.3 m;悬臂翼缘长4.03 m;底板宽8.25 m,厚度由根部的1.3 m按1.8次抛物线渐变至跨中0.32 m。箱梁设三向预应力体系,纵向预应力分为顶板束、腹板束、合龙束和体外束四种:顶板束采用17φs15.2、19φs15.2和22φs15.2钢绞线;腹板束采用22φs15.2钢绞线;合龙束采用17φs15.2、19φs15.2钢绞线,顶板横向预应力采用3φs15.2、5φs15.2钢绞线,端、中横梁横向预应力采用17φs15.2钢绞线,竖向预应力采用3φs15.2钢绞线;体外束为27φs15.2、31φs15.2钢绞线。主墩编号依次为4#~7#,其中5#、6#采用双肢薄壁墩:5#墩墩高32 m,宽8.25 m,壁厚1.8 m,双肢净间距7.7 m;6#墩墩高20 m,宽8.25 m,壁厚1.5 m,双肢净间距7.7 m。大桥采用挂篮悬臂浇筑施工,其中0#块长14 m,箱梁单“T”共21段:6×3 m+6×3.5 m+9×4.5 m,边跨现浇段长6.28 m,中、边跨合龙段均为2 m。
2 有限元模型
采用Midas Civil软件建立全桥有限元模型,如图2所示。主梁、主墩、承台均采用梁单元模拟,全桥预应力采用钢绞线束施加,钢绞线弹性模量采用1.95×105 MPa。以10年期为运营阶段的收缩徐变效应终值,并考虑实际施工温度效应。根据该桥的受力特性,边界条件按照连续梁刚构桥的实际支撑形式设置。全桥共计153个单元,146个节点。根据桥梁设计图纸及实际施工阶段设置工况,如表1所示。


a. 桥梁立面图

b. 预应力钢束图
图 2 桥梁有限元模型图

表1 施工工况表
工况 施工内容 荷载
1 浇筑墩及0#~21#梁段 考虑自重、挂篮重量、预应力
2 浇筑边跨现浇段 考虑自重、挂篮重量、预应力、不平衡压重
3 浇筑中跨合龙段 考虑自重、挂篮重量、预应力、不平衡压重、顶推力
4 二期铺装
5 收缩徐变3年、10年


3 顶推力计算
由于连续刚构桥是墩、梁固结体系,当连续刚构桥中跨合龙温度高于设计合龙基准温度、成桥状态不平衡荷载及各阶段施工累积作用时,会产生主梁跨中下挠,进一步引起主墩水平偏位,同时,在收缩徐变效应下会再次放大主梁跨中下挠。
因此,在中跨合龙施工中,对梁体施加水平顶推力,使墩顶产生各因素引起的水平位移值相等的反向位移,以消除墩顶因各因素引起的水平位移及结构附加的温度应力。根据理论模型各施工工况,由式(1)计算各墩顶的水平位移累计值控制顶推力。
Δx=−(Δx1+Δx2+Δx3) (1)
式中,Δx——总顶推位移;Δx1——成桥状态边、中跨不平衡荷载及各阶段施工累积作用引起的墩顶顺桥向位移量;Δx2——主梁合龙温差引起的墩顶顺桥向位移量;Δx3——运营10年后混凝土主梁收缩徐变效应引起的墩顶顺桥向位移量。
计算得出在桥梁合龙温度为15 ℃时,水平顶推力为3 750 kN。
4 效应分析
4.1 纵向位移分析
实际桥梁中跨合龙施工中,对中跨合龙口施加3 750 kN水平顶推力,按照30%、50%、80%、100%阶段分级加载顶推力。测量合龙段截面顶板、底板及5#高墩、6#低墩顶面的实际纵向位移,如表 2、图 3及图 4所示。
由表 2、图 3及图 4可知,采用同步对称顶推施工,顶推力加载至100%时,主梁合龙段梁截面顶板与底板的顶推力与变形规律相似,纵向位移量基本一致,偏差为11.7%。相反,由于两侧为不等高、不等厚双肢薄壁墩,侧向刚度差异较大,导致高、低墩顶面位移差距大,5#高墩顶面位移为3.6 cm,6#低墩顶面位移为1.2 cm。同时,由于力在混凝土中传递滞后,分级施加顶推力的位移量初始值较小,且梁墩位移差值较大。
4.2 竖向位移分析
沿连续刚构桥主梁顺桥向分别于边跨1/2、墩顶两侧、中跨1/2、中跨1/4及中跨3/4等9处控制截面布置观测点,测量实际顶推合龙后控制截面的竖向位移,如图 5所示。根据实测顶推施工与理论非顶推施工,对比分析合龙后实测与理论控制截面竖向位移,如表 3和图 6所示。

图 6 主梁控制截面竖向位移图

由表 3和图 6可知,相较于理论非顶推施工,顶推合龙后产生了一定的竖向位移,其中跨1/2截面增加了6.9 mm,左右边跨1/2截面分别增加了3.3 mm、2.6 mm。施加顶推力使桥墩在成桥阶段提前向顺桥边跨方向产生水平位移,从而使主梁合龙后产生预拱度进行补偿,有利于减小墩顶水平位移引起的主梁竖向变形。同时,合龙预应力钢束作用引起主梁与薄壁墩产生向两墩内侧方向的位移,进一步改善合龙顶推施工其叠加效应。
4.3 应力分析
沿连续刚构桥主梁顺桥向设置9处控制截面(图 5),每处截面于顶板、底板、腹板布置3组应力测点,取每组应力测点平均值为该处代表值,如图 7所示。同时,测量高、低双肢薄壁墩(跨中为内侧)在中跨合龙前,顶推施工,中跨合龙后时的应力值。主梁控制截面和墩顶截面应力值,如图 8、图 9所示。
由图 8及图 9可知,各阶段施工中,高、低墩顶截面内外规律相似,顶推施工后,墩顶截面应力幅值增加,随着中跨合龙后应力释放后,其幅值随之降低。其中,相较于外侧墩,由于内侧墩结构变形较大,其应力值也变化较大,6#低墩内侧在顶推后其应力增加88%,随后减少26%。
在主梁控制截面应力中,施加顶推力对刚构桥上部结构受力有一定改善,但幅值变化较小,未改变截面应力变化趋势。


图 7 墩顶位移图


图 8 主梁控制截面应力图

图 9 墩顶截面应力图

5 结论
以(95+175+95)m预应力混凝土连续刚构桥为依托,分析刚构桥顶推施工效应,通过有限元数值法计算桥梁施工顶推力,对比分析理论非顶推施工与实际顶推施工各施工阶段的应力、纵向位移及竖向位移,得到以下结论:
(1)考虑刚构桥施工各阶段,采用有限元模型以墩顶面纵向位移值为控制,能有效计算施工顶推力。
(2)高、低双肢薄壁墩侧向刚度相差较大,对顶推力敏感程度差异较大,而主梁顶底板变形值基本一致。顶推施工对跨中下挠有一定改善,但影响程度较小。
(3)双肢薄壁内侧墩顶推施工的应力值相对较大,随着合龙应力释放后幅值随之降低。预应力连续刚构桥采用顶推施工后,能有效改善结构受力状态,增加结构稳定性。

参考文献
[1]罗金标, 张桓靖, 钟长裕. 薄壁墩桥梁临时支护体系的施工监测及安全性分析——以高增大桥为例[J]. 科学技术与工程, 2022(34): 15284-15290. 
[2]胡平, 杜钊, 陈家龙, 等. 铁路连续刚构桥合龙顶推力分析[J]. 世界桥梁, 2020(2): 61-65. 
[3]王磊, 杨国俊, 刘晓健, 等. 基于能量法的刚构桥合龙顶推位移计算方法[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2022(10): 1354-1359. 
[4]陈金盛. 多跨连续刚构桥合龙顶推力计算及分析控制[J]. 公路, 2019(2): 121-124. 
[5]滕树元. 滇南山区高墩大跨连续刚构桥施工线形控制[J]. 铁道建筑, 2018(4): 37-40. 
[6]吴锋, 王斌, 宋旭明, 等. 基于线性规划的连续刚构桥合龙段顶推力研究[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2017(5): 65-72. 
[7]郑国富, 彭巍. 大跨度小曲线半径矮墩连续刚构桥设计研究[J]. 桥梁建设, 2020(S2): 94-98. 


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