杜 釗，趙 偉，陳家龍，劉 綱

（1.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋具有施工方便、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、抗震性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為公路、鐵路和市政橋梁中普遍采用的橋型。為減少或消除混凝土收縮徐變對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主梁線形的影響，在合龍段施工時(shí)業(yè)界多通過(guò)施加頂推力的方式予以解決［1-3］。文獻(xiàn) ［4-6］對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)果表明施加合理的頂推力可以有效控制使用過(guò)程中橋墩偏位并改善主梁受力狀態(tài)。因此，頂推技術(shù)對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍施工至關(guān)重要。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者對(duì)合理頂推力計(jì)算和合龍順序進(jìn)行了深入研究，取得豐碩成果。其中，文獻(xiàn)［5］借助有限元計(jì)算77.4 k N的橫隔板集中荷載作用下槽形鋼梁局部受力情況，結(jié)果表明鋼梁局部受力滿足規(guī)范要求。但文獻(xiàn)［8-9］針對(duì)鋼箱梁頂推過(guò)程中局部受力的分析表明，在3 000 kN頂推力作用下，鋼箱梁局部應(yīng)力會(huì)超限，須采取優(yōu)化措施改善頂推過(guò)程中箱體受力。因此，在確定合理頂推力和合龍順序后，有必要分析頂推力對(duì)箱梁局部受力的影響。但目前頂推力對(duì)箱梁局部受力的影響仍不系統(tǒng)，所得規(guī)律較難滿足實(shí)際施工需求。

針對(duì)大噸位頂推力作用下箱梁局部受力可能超限的問(wèn)題，以西北某特大連續(xù)剛構(gòu)橋5 000 kN大噸位頂推力為背景，對(duì)比分析傳統(tǒng)兩點(diǎn)頂推方式和所提四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部受力、變形的差異。在此基礎(chǔ)上，分析不同鋼墊板布設(shè)位置、尺寸及頂推力偏差等因素對(duì)箱梁局部受力、變形的影響規(guī)律，提出鋼墊板優(yōu)化布設(shè)方式，為連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推施工提供技術(shù)參考。

1 頂推方式設(shè)置

1.1 橋梁概況

某鐵路特大連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑布設(shè)為 （75＋2×136＋75）m，主梁采用混凝土單室箱型截面，頂板寬9 m、厚0.4 m；底板寬7 m，厚0.4 m；腹板厚0.5 m。見(jiàn)圖1，箱梁懸臂澆筑到合龍段后，采用先中跨合龍，后邊跨合龍順序進(jìn)行合龍施工。合龍時(shí)通過(guò)頂推施工來(lái)消除混凝土收縮徐變對(duì)主墩偏位的不利影響，設(shè)計(jì)合龍頂推力為5 000 kN?，F(xiàn)有大量相關(guān)文獻(xiàn)表明［3-9］，合龍頂推力往往不超過(guò)3 000 k N，但本橋的頂推力高達(dá)5 000 k N，故有必要分析箱梁在大噸位頂推力下的局部受力狀態(tài)，進(jìn)而選取合適的頂推施工方式和工藝。

圖1 橋跨布置 （單位：cm）Figure 1 Bridge span（Unit：cm）

1.2 兩種合龍頂推方式

大量研究表明［10-12］，連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推普遍采用兩點(diǎn)加載方式，即在箱梁腹板與頂板的倒角處施加頂推力。且為防止箱梁頂推處混凝土局部應(yīng)力集中，往往預(yù)埋鋼墊板來(lái)分散頂推力，使局部受力更加均勻，如圖2（a）所示。

考慮到依托工程的頂推力高達(dá)5 000 kN，為防止兩點(diǎn)頂推方式下箱梁應(yīng)力過(guò)于集中，提出四點(diǎn)同步頂推方式，如圖2（b）所示。四點(diǎn)對(duì)稱同步頂推方式不僅可分散頂推力以減小箱梁的局部應(yīng)力，且可減少箱梁頂推截面偏心彎矩，進(jìn)一步改善頂推過(guò)程中箱梁的受力狀態(tài)。

圖2 兩點(diǎn)及四點(diǎn)頂推方式下鋼墊板設(shè)置Figure 2 Steel cushion plate layout under two-point and four-point modes

同時(shí)，為分散大噸位頂推力，增設(shè)千斤頂墊塊，如圖3所示。因此，在頂推過(guò)程中，將千斤頂?shù)闹c(diǎn)施加在墊塊上，頂推力通過(guò)千斤頂墊塊均勻傳遞給鋼墊板，墊板再將力傳導(dǎo)到混凝土箱梁上?；?“技術(shù)可行、操作方便”原則，考慮到鋼墊板大小受箱梁尺寸所限，在兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下鋼墊板的尺寸均取600 mm×300 mm×25 mm。

圖3 千斤頂墊塊設(shè)置情況Figure 3 Jack blocking layout

2 箱梁局部受力與變形分析

2.1 精細(xì)化有限元模型的建立

為準(zhǔn)確分析兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下箱梁結(jié)構(gòu)局部受力情況，采用Abaqus有限元軟件建立頂推處箱梁局部細(xì)化的實(shí)體有限元模型。對(duì)于混凝土梁段，選取與合龍段相鄰3個(gè)梁段共10 m長(zhǎng)箱梁，箱梁尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取值，混凝土彈性模量取3.55×104MPa、泊松比取0.2，如圖4（a）所示。因主要考慮混凝土局部受力情況，建模時(shí)不考慮箱梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋。

對(duì)于鋼墊板，根據(jù)實(shí)際尺寸建立實(shí)體模型，其彈性模量取2.06×105MPa、泊松比采用0.3。頂推面共設(shè)置4塊鋼墊板，網(wǎng)格劃分后的某塊鋼墊板如圖4（b）所示。

鋼墊板與箱梁采用Tie耦合約束，綁定區(qū)域不發(fā)生相對(duì)變形。因僅考慮大噸位頂推力下箱梁局部受力和變形，故在遠(yuǎn)離合龍段的遠(yuǎn)端，將箱梁端面各節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)?？紤]到已通過(guò)千斤頂墊塊分散千斤頂?shù)募辛?，故在兩點(diǎn)頂推方式下，將2 500 kN頂推力轉(zhuǎn)化為面力分別施加于2塊墊板上；在四點(diǎn)頂推方式下，將1 250 kN頂推力轉(zhuǎn)化為面力分別施加在4塊墊板上。在四點(diǎn)頂推方式下，整個(gè)實(shí)體有限元模型共有59 216個(gè)單元，95 951個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分Figure 4 Division of finite element mesh

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

兩點(diǎn)、四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在兩點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力集中分布在鋼墊板周圍，頂板、底板處應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墊板周圍的腹板處；在四點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力在梁體各部分總體分布較為均勻，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處，除墊板周圍外其余各部件均呈現(xiàn)出由中間向兩側(cè)減小的趨勢(shì)。綜合兩種頂推方式下應(yīng)力分布來(lái)看，四點(diǎn)同步頂推方式可有效改善箱梁受力狀態(tài)，使局部受力更加均勻。

圖5 箱梁局部應(yīng)力云圖 （單位：MPa）Figure 5 Box beam local stress map（Unit：MPa）

在兩種頂推方式下，箱梁局部最大拉、壓應(yīng)力值如表1所示。混凝土箱梁局部最大壓應(yīng)力為16.45 MPa，小于現(xiàn)行鐵路橋涵混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范局部受壓容許壓應(yīng)力29.75 MPa的規(guī)定，壓應(yīng)力的強(qiáng)度儲(chǔ)備較大。應(yīng)指出的是，在兩點(diǎn)頂推方式下，拉應(yīng)力高達(dá)4.78 MPa，已超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范中有斜筋及箍筋時(shí)主拉應(yīng)力容許值［σc-1］＝2.79 MPa的規(guī)定。故依托工程若采用兩點(diǎn)頂推方式，在頂推過(guò)程中將出現(xiàn)混凝土局部開(kāi)裂現(xiàn)象，給橋梁帶來(lái)質(zhì)量隱患。而四點(diǎn)頂推方式能明顯改善箱梁的局部受力，最大拉應(yīng)力僅為1.48 MPa。因此，從受力角度出發(fā)，四點(diǎn)頂推方式更適合用于連續(xù)剛構(gòu)橋大噸位合龍頂推施工。

表1 兩種頂推方式下最大拉、壓應(yīng)力Table 1 Maximum tensile and compressive stress under two thrust modes MPa

2.3 位移計(jì)算結(jié)果分析

箱梁在頂推過(guò)程中，如合龍梁段的箱梁截面相對(duì)變形過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致2個(gè)梁段合龍匹配精度難以控制。在2種頂推方式下，有限元計(jì)算得到頂?shù)装遑Q向變形和腹板橫橋向變形情況分別如圖6、圖7所示。

在變形規(guī)律方面，兩種頂推方式下頂板豎向均向下凹陷，底板均向上拱起。在兩點(diǎn)頂推方式下，腹板在頂推位置發(fā)生向橋外側(cè)偏移；四點(diǎn)頂推方式下腹板中間位置發(fā)生向外側(cè)橫向偏移。

圖6 箱梁局部橫向位移云圖 （單位：mm）Figure 6 Box beam local lateral displacement cloud map（Unit：mm）

圖7 箱梁局部豎向位移云圖 （單位：mm）Figure 7 Box beam local vertical displacement cloud map（Unit：mm）

2種頂推方式下箱梁最大位移出現(xiàn)的具體部位及幅值如表2所示。雖四點(diǎn)頂推方式較兩點(diǎn)頂推方式下箱梁頂、底板豎向位移更小，但在兩種頂推方式下，頂推面箱梁各部分相對(duì)變形較小且均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許值，且均未達(dá)到0.5 mm，不會(huì)對(duì)箱梁合龍匹配精度造成影響。

表2 箱梁截面相對(duì)變形情況Table 2 Relative Deformation of box girder mm

3 四點(diǎn)頂推下鋼墊板優(yōu)化

四點(diǎn)頂推方式下箱梁局部受力較兩點(diǎn)頂推方式相對(duì)較小，但其最大主拉應(yīng)力在局部區(qū)域仍高達(dá)1.48 MPa，可能使混凝土開(kāi)裂。而鋼墊板的位置、高度及箱梁的頂推力偏差將直接影響局部應(yīng)力的分布和大小，故對(duì)四點(diǎn)頂推方式進(jìn)行變參數(shù)分析，以優(yōu)化鋼墊板的設(shè)置及加載方式。

3.1 鋼墊板位置

因箱梁局部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處 ［圖2（b）中3＃、4＃鋼墊板附近］。在保持鋼墊板尺寸不變情況下，調(diào)整這兩塊鋼墊板離箱梁底面的距離。在不同距離下，主拉應(yīng)力的分布規(guī)律及最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)部位未發(fā)生明顯改變，故僅給出頂、底板和腹板的最大主拉應(yīng)力值，如圖8所示。

圖8 最大主拉應(yīng)力隨墊板位置變化情況Figure 8 Maximum tensile stress varies with pad position

因僅調(diào)整位于腹板下部鋼墊板的位置，故頂板的最大拉應(yīng)力基本保持不變；鋼墊板越靠上，底板、腹板的最大拉應(yīng)力有所減小，但當(dāng)距離超過(guò)40 cm（高于下游腹板倒角處）以后，底板最大應(yīng)力變化速度減緩。故在四點(diǎn)頂推時(shí)，若將3＃、4＃鋼墊板調(diào)整至底板倒角偏上位置，可適當(dāng)減小鋼墊板產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3.2 鋼墊板高度

受腹板寬度限制，鋼墊板寬度較難改變，所以鋼墊板高度對(duì)混凝土主拉應(yīng)力影響較大。將3＃、4＃鋼墊板位置設(shè)置為距底面60 cm處，調(diào)整這兩塊鋼墊板高度來(lái)考察箱梁主拉應(yīng)力變化情況，如圖9所示。

圖9 最大主拉應(yīng)力隨墊板高度變化Figure 9 Maximum tensile stress varies with pad height

從圖9可看出，3＃、4＃鋼墊板高度對(duì)主拉應(yīng)力的影響較大。腹板和頂、底板主拉應(yīng)力均隨鋼墊板高度增加而降低，這主要是因?yàn)殡S著鋼墊板高度增加，頂推力會(huì)更為均勻地施加在箱梁截面上。當(dāng)鋼墊板高度達(dá)100 cm時(shí)，頂推截面上最大主拉應(yīng)力將降為0.54 MPa，此時(shí)，箱梁混凝土不會(huì)產(chǎn)生局部裂縫。但鋼墊板尺寸太大不利于施工，因此，在施工中可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置合理的鋼墊板高度。

3.3 頂推力偏差

頂推力偏差是對(duì)箱梁截面受力較大側(cè)的鋼板施加相對(duì)較小的頂推力，受力較小側(cè)的鋼板施加較大的頂推力。由于在四點(diǎn)推頂方式下最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁頂推面下游腹板的倒角處 （3＃、4＃鋼墊板附近），故考慮增大1＃、2＃鋼墊板上頂推力，即1＃、2＃鋼墊板承受的頂推力多于3＃、4＃鋼墊板，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知，隨著頂推力偏差逐漸增大，箱梁底板最大拉應(yīng)力緩慢減小，頂板、腹板最大拉應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)偏差值超過(guò)70 kN時(shí)，拉應(yīng)力最大部位發(fā)生變化且應(yīng)力降低效果逐漸變差。因此，在施工過(guò)程中可適當(dāng)調(diào)整頂推力的大小，保持1＃、2＃與3＃、4＃鋼墊板處最大推力偏差為頂推力的5%左右，將降低箱梁局部拉應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

圖10 最大拉應(yīng)力隨頂推力偏差的變化Figure 10 Change in maximum tensile stress with thrust deviation

頂推技術(shù)在多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍中應(yīng)用十分廣泛，但關(guān)于大噸位頂推力作用下箱梁局部受力問(wèn)題的研究相對(duì)偏少。為解決大噸位合龍頂推力下箱梁局部受力問(wèn)題，提出四點(diǎn)頂推方式；依托具體工程建立箱梁局部有限元模型，研究四點(diǎn)頂推方式對(duì)主梁局部受力、位移的改善效果；分析鋼墊板位置、高度和加載形式對(duì)四點(diǎn)頂推下箱梁局部受力的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：

a.雖四點(diǎn)合龍頂推的施工難度高于兩點(diǎn)合龍頂推方式，但在兩點(diǎn)頂推方式下箱梁局部最大主拉應(yīng)力為4.78 MPa，將出現(xiàn)局部開(kāi)裂情況；而四點(diǎn)頂推方式下，箱梁截面應(yīng)力分布更為均勻，最大主拉應(yīng)力為1.48 MPa，可保證頂推施工中混凝土不出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，當(dāng)頂推力較大時(shí)，可選用四點(diǎn)頂推方式。

b.鋼墊板高度對(duì)箱梁局部主拉應(yīng)力大小的影響較大。因此，在實(shí)際工程中，可通過(guò)合理設(shè)置鋼墊板高度來(lái)有效減少箱梁局部應(yīng)力。

c.改變鋼墊板位置和預(yù)設(shè)頂推力偏差在一定程度上能減少箱梁局部主拉應(yīng)力。針對(duì)依托工程，宜將3＃、4＃鋼墊板調(diào)整至底板倒角偏上位置，且保持1＃、2＃鋼墊板與3＃、4＃鋼墊板最大推力偏差為頂推力的5%左右較為合適。