張茂龍,楊成斌

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力研究

張茂龍,楊成斌

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時(shí)需要通過施加頂推力對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)調(diào)整.結(jié)合工程實(shí)例,討論了柔性基礎(chǔ)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力的確定方法,分析了頂推前后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形規(guī)律,得出施加頂推力來主動(dòng)調(diào)整內(nèi)力可有效地改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力和使用狀態(tài),提高橋梁的耐久性.

矮墩;連續(xù)剛構(gòu)橋;柔性基礎(chǔ);合龍;頂推

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋多利用高墩的柔度來適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的縱向位移,即把高墩視作一種擺動(dòng)的支承體系[1].連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié),若下部結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,溫度變化、混凝土收縮徐變等因素引起的次內(nèi)力就會(huì)相當(dāng)大.同時(shí),后期的收縮、徐變也會(huì)使梁體產(chǎn)生豎向撓度和水平位移,造成主墩的偏位,影響橋梁的美觀和行車舒適性,同時(shí)也對(duì)主墩的受力產(chǎn)生不利影響.因此,在合龍前應(yīng)盡可能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整,以使結(jié)構(gòu)的受力和使用狀態(tài)更趨于合理.

自重及二期恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉等產(chǎn)生的水平力是單向的,存在主動(dòng)調(diào)整的可能性[1],根據(jù)這種情況,考慮在主跨合龍前對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施一定噸位的預(yù)頂力,以克服或部分克服恒載產(chǎn)生的水平力,從而減小使用階段墩身、基礎(chǔ)承擔(dān)的水平力及其水平變位,同時(shí),在不過多增加工程造價(jià)的前提下,使基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)更趨合理.

1 預(yù)頂力大小的選擇

預(yù)頂噸位選取是否合適將直接關(guān)系到主動(dòng)調(diào)整的效果,過小會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)調(diào)整的效果不明顯,過大又會(huì)使懸臂端部的梁體豎向變形和墩根部彎矩過大,對(duì)墩身受力帶來不利影響.

1.1 抗推剛度公式

抗推剛度簡單點(diǎn)說就是產(chǎn)生單位水平位移時(shí)所引起的作用力.要計(jì)算施加的頂推力大小需要知道下部結(jié)構(gòu)的抗推剛度和墩頂發(fā)生的水平位移.

①對(duì)于低樁承臺(tái)基礎(chǔ),其墩身以下部分的抗推剛度很大,墩身剛度便需要足夠小,在計(jì)算此類剛構(gòu)橋主墩的抗推剛度時(shí),可近似將主墩按下端固結(jié),上端自由的懸臂柱(如圖1所示)進(jìn)行處理.[2]

則單肢矩形空心薄壁墩(見圖2),抗推剛度為:

②而對(duì)于髙樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ),群樁的柔性通常較大,此時(shí)墩身以下部分的柔度對(duì)下部結(jié)構(gòu)的抗推剛度影響不可忽略.即使墩身的抗推剛度很大(矮墩),下部結(jié)構(gòu)的整體抗體剛度也未必會(huì)很大[3],這就是為什么許多連續(xù)剛構(gòu)橋仍然能夠采用大剛度矮墩.對(duì)于這種情況,需充分考慮樁基的影響,以下部結(jié)構(gòu)的整體抗體剛度為準(zhǔn),切不可忽略了樁基的柔度.

如圖3,主墩和樁基分別具有不同的抗推剛度,兩者通過承臺(tái)剛接,下面介紹其整體抗推剛度的近似推導(dǎo)過程.

承臺(tái)剛度無窮大,因此將承臺(tái)簡化為剛節(jié)點(diǎn)2,點(diǎn)3是沖刷線以下的水平位移零點(diǎn):

圖中k1、k2為主墩與樁基的抗推剛度,墩高l1,樁長l2,水平力p作用于墩頂點(diǎn)1(圖3a).現(xiàn)將P平移到樁頂點(diǎn)2(如圖3(b)所示),圖3(c)表示點(diǎn)1、點(diǎn)2在水平荷載P的作用下發(fā)生的水平位移(鑒于承臺(tái)剛度極大,θ值很小,樁基轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)墩頂水平位移的影響很小,因此不考慮彎矩的影響[4]),點(diǎn)2的水平位移為 Δ2=,從而得點(diǎn) 1的水平位移 Δ1=則下部結(jié)構(gòu)的整體抗推剛度:

式(2)表明:具有柔性髙樁承臺(tái)基礎(chǔ)的連續(xù)剛構(gòu)橋,下部結(jié)構(gòu)的整體抗推剛度受樁基的剛度影響較大.

1.2 工程實(shí)例

廣東某特大橋主橋墩高僅18 m,是典型的矮墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋.主墩為單肢柔性薄壁墩(C40),矩形空心截面(見圖4).典型南方粘土地基,柔性高樁承臺(tái)嵌巖群樁基礎(chǔ)(C30),樁基總長45 m,自由樁長16 m,樁基平面布置如圖5所示.合攏順序?yàn)橄冗吙绾笾锌?

先計(jì)算薄壁墩在正常合龍情況下由合龍溫差、混凝土收縮徐變(10年)等引起的水平變位,然后通過其水平位移來確定水平頂推力,本橋采用有限元軟件建模計(jì)算水平位移.

1.2.1 Midas有限元模型

采用有限元分析軟件Midas/civil建模(圖6)[5]分析.施工過程分為63個(gè)階段,采用平面梁單元將主梁分為140個(gè)單元、141個(gè)節(jié)點(diǎn),主墩跟樁基共分為90個(gè)單元.墩臺(tái)剛結(jié),樁底固結(jié),兩邊跨端部僅設(shè)豎向支承.主墩編號(hào)從左至右依次為12#、13#、14#.

圖 6 Midas模型

1.2.2 墩頂位移

為了確定兩邊墩(12#、14#)由于結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、合龍溫差以及收縮徐變引起的水平變位,按照施工工序建立有限元模型,收縮、徐變終止時(shí)間設(shè)定為3600 d(約10年)根據(jù)合龍時(shí)的氣溫情況,為避免合龍溫差的影響,結(jié)合工程實(shí)際,合龍溫度取為設(shè)計(jì)合龍溫度(20℃),計(jì)算出合龍時(shí)不施加頂推力的情況下:12#墩箱梁截面形心位移Δ1x=43.42 mm;14#墩箱梁截面形心位移 Δ2x=-43.36 mm.(位移以12#到14#方向?yàn)檎?下同)

1.2.3 頂推力大小確定

中跨合龍前200噸縱向水平推力的施加會(huì)使兩墩墩頂產(chǎn)生初偏位,經(jīng)計(jì)算,在施加頂推力的情況下,10年后的12#墩、14#墩水平偏位分別為3.3 mm和-3.0 mm,即兩墩基本處于豎直狀態(tài),由此得出,采用200 t的頂推力是合理的,同時(shí)也說明上述橋梁下部結(jié)構(gòu)整體抗推剛度的近似求解過程也是成立的.

未頂推、頂推100 t、頂推200 t三種情況下,10年后的墩頂順橋向水平位移結(jié)果如下表1所示:

表1 墩身水平位移對(duì)比表單位:mm

2 結(jié)果分析

2.1 截面撓度比較

表2 點(diǎn)撓度對(duì)比表單位:mm

10年混凝土收縮徐變后,施加頂推力比不頂推情況下,墩頂水平位移減小了40 mm.施加頂推力后,邊跨跨中豎向位移增加21 mm,中跨跨中豎向位移56 mm,而一般連續(xù)剛構(gòu)橋更加關(guān)注的是跨中下?lián)系膯栴}[6],因此頂推的效果是滿足要求的.

綜上所述,頂推力的施加減小了主墩偏位,改善了橋梁的使用狀態(tài),使墩身受力更趨合理,同時(shí),跨中下?lián)系膯栴}也得到了改善.

2.2 結(jié)構(gòu)附加次內(nèi)力比較

采用頂推進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整的目的就是為了盡量消除各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加次內(nèi)力和主墩水平位移.現(xiàn)將施加頂推力前后結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力作一比較[7].

表3 結(jié)構(gòu)控制截面附加次內(nèi)力比較

施加頂推力以后,削弱了主梁截面附加次內(nèi)力,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),達(dá)到了頂推的預(yù)期效果.

頂推力的施加過程中,應(yīng)注意大噸位頂推力對(duì)墩底截面的受力影響,避免墩身開裂:主墩澆注前,監(jiān)控單位已分別在墩身頂、底部截面埋設(shè)了應(yīng)變計(jì),可以監(jiān)測頂推過程中墩身的應(yīng)力變化情況.

3 結(jié)束語

本文具體討論了柔性墩臺(tái)群樁基礎(chǔ)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋合龍時(shí)頂推力的確定方法、計(jì)算流頂以及實(shí)際頂推效果,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時(shí)通過施加頂推力改善了結(jié)構(gòu)的受力和幾何狀態(tài),提高了結(jié)構(gòu)耐久性;

(2)對(duì)于具有高樁承臺(tái)柔性基礎(chǔ)的矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋,需注意樁基柔度對(duì)下部結(jié)構(gòu)整體抗推剛度的影響;

(3)文中提出的柔性基礎(chǔ)矮墩剛構(gòu)橋合龍頂推力的近似求解方法經(jīng)驗(yàn)證具有一定的參考價(jià)值,可供簡算復(fù)核使用,頂推力的具體數(shù)值可通過有限元程序計(jì)算確定.

[1]宋玉普.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]徐君蘭.顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[3]胡自忠,祝立君,黃小國.馬目大橋高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)受力分析與設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2009,35(17):307-308.

[4]凌治平,易經(jīng)武.基礎(chǔ)工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

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[7]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.

Research on Closure Jacking Force of Low Pier Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Mao-long,YANG Cheng-bin

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

T he internal force of a continuous rigid frame bridge must be adjusted by jacking when its midspan is in closure.The method of the closure jacking force of a low pier continuous rigid frame bridge with flexible foundation is discussed.By analyzing the principle of a specific project internal force and displacement after jacking,it is testified that jacking can improve not only the bridge state of working and bearing but also its durability.

low pier;continuous rigid frame bridge;flexible foundation;closure;jacking

TU997

A

1671-119X(2011)02-0092-03

2010-10-30

張茂龍(1985-),男,碩士,研究方向:城市道路與橋梁.