合龙条件对矮墩连续刚构成桥状态的影响分析

2013-09-05黄胜前杨永清

铁道建筑 2013年3期

黄胜前，杨永清

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

合龙是连续刚构桥施工过程中的一道关键工序，它使桥梁的结构体系由静定的T构转换为超静定的连续刚构。正是由于合龙后的结构超静定，温度变化、混凝土收缩徐变等作用会在结构内产生附加内力。为防止温度变化引起的附加内力过大，应根据桥梁所在地的年气温变化资料，确定连续刚构桥的最佳合龙温度。设计是以结构合龙温度为初始值，分别考虑结构的最高和最低有效温度，即升温和降温两种情况［1］。然而，在施工过程中，受施工进度和工期限制，不一定能选择在最佳合龙温度时合龙。当合龙温度较高时，降温引起的附加内力较大，而且与混凝土收缩产生的附加内力方向相同，两者叠加起来将产生更大的附加内力，因此高温时合龙对结构很不利。为了消除温度和收缩徐变的影响，在连续刚构桥中跨合龙时对梁体施加一个水平顶推力，使主墩产生一个反向位移，来抵消合龙后整体降温及后期收缩徐变等作用的影响［2］。日温差和温度梯度也会引起箱梁纵向和竖向变形，因此不宜在温度变化较大的情况下合龙，应通过连续观测，选择温度相对稳定、箱梁变形幅度较小的时间段锁定劲性骨架实现合龙。此外，在工程中由于悬臂浇筑施工过程中线形控制不好导致跨中合龙时悬臂高差过大的情况，一般是通过压重使悬臂高差达到允许值范围内进行强制合龙，此时会在结构中产生附加内力，而且分配不均，往往严重削弱结构的安全储备［3］。

1 工程背景

四川某城市跨越铁路线立交桥，结构形式为预应力混凝土连续刚构，跨径布置为(60+100+60)m。桥梁分为左右两幅，采用三向预应力混凝土箱梁，单箱单室截面，单幅箱梁顶板宽14.25m，底板宽9.25m，外翼板悬臂长2.5m，桥面由箱梁顶板形成2%的横坡。墩顶箱梁高6.0m，跨中及边跨现浇段箱梁高2.5m，从墩梁固结处至跨中箱梁高按二次抛物线变化;墩梁固结处底板厚0.8 m，跨中底板厚0.3 m，从墩梁固结处至跨中底板厚度也按二次抛物线变化;墩梁固结处腹板厚0.9 m，跨中腹板厚0.5m，在7号块(距墩梁固结处20～24 m)腹板厚度由0.9 m按直线渐变到0.7 m，在9号块(距墩梁固结处28～32 m)腹板厚度由0.7 m按直线渐变到0.5m。设置6道横隔板，每个墩顶设置2道0.8 m厚的横隔板，每个边跨梁端设置1道1.2 m厚的横隔板。桥墩为钢筋混凝土结构，采用双肢薄壁墩，厚0.8 m，肢间净距 2.4 m，2号墩高13.28 m，3号墩高12.38 m，墩高约为跨径的1/8。桥墩承台厚3.5m，基础为直径2.0m的钻孔灌注桩。箱梁采用C60混凝土，墩身采用C40混凝土，承台和桩基础采用C30混凝土。全桥立面布置见图1。桥梁所在地多年平均气温为16℃ ～17℃，最高日平均气温为39.5℃，最低日平均气温为 -4.5℃。箱梁采用悬臂浇筑法施工，边跨梁端9 m长在落地支架上现浇，合龙顺序为先合龙两个边跨再合龙中跨，设计合龙温度为10℃ ～18℃。

2 合龙温度的影响分析

桥梁结构往往暴露在自然环境中，受到温度作用的影响，主要包括常年气温变化和太阳辐射，前者通常称为均匀温度作用，后者称为梯度温度作用。连续刚构桥是超静定结构，在均匀温度作用下的纵向变形受到约束而产生温度次内力，太阳辐射形成的沿结构高度方向的非线性梯度温度也会导致结构产生次应力和变形。连续刚构桥合龙时的温度条件会影响到成桥后的内力和线形，是十分关键的施工控制因素。

图1 跨线立交桥立面布置(单位:m)

2.1 均匀温度作用的影响

在考虑均匀温度作用时，应取结构的有效温度而不是气温。根据桥梁所在地的气温变化资料，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)［4］(以下简称桥规)，计算得到结构的最高有效温度为38℃，最低有效温度为-2℃。连续刚构合龙后，当结构的温度发生变化时结构将发生变形，由于变形受到约束，在结构内会产生附加内力。

在均匀温度作用下结构的变形大小与合龙时的结构温度差呈线性关系，温度差越大结构的变形越大，如图2所示。均匀温度作用对边跨跨中的竖向位移影响非常小，对中跨跨中竖向位移和墩顶水平位移影响较大。当合龙温度越低时，升温的幅度越大，导致中跨、边跨上拱越大，墩顶向边跨的位移越大;当合龙温度越高时，降温的幅度越大，导致中跨、边跨下挠越大，墩顶向中跨的位移越大。

图2 均匀温度变化与结构位移的关系

均匀温度变化引起的结构内力也与温度差呈线性关系，温度差越大结构的内力越大，如图3所示。当合龙温度越低时，升温的幅度越大，结构内力越大;当合龙温度越高时，降温的幅度越大，结构内力也越大。另外，均匀温度作用对墩底的内力影响远大于梁部，特别是对于矮墩连续刚构桥，由于桥墩刚度较大，均匀温度作用对墩底的内力影响更大，在结构设计时往往作为控制作用参与正常使用极限状态的最不利组合。

图3 均匀温度变化与结构内力的关系

可以看出，均匀温度作用引起的结构内力和位移都与均匀温度的变化幅度有关，均匀温度变化幅度越大，由此引起的结构内力和位移也就越大。当仅考虑均匀温度作用时，在平均温度合龙，均匀温度变化幅度最小，在最大降温、升温作用下，控制截面的弯矩、轴力的绝对值最小，中跨跨中竖向位移和墩顶纵向水平位移的绝对值也最小。但是，由于合龙后结构的收缩徐变会导致梁体下挠、墩顶向中跨挠曲和结构附加内力，与升温作用效应恰好相反，因此一般认为低温合龙对结构比较有利。

2.2 温度梯度作用的影响

在中跨合龙时，为了选择锁定劲性骨架进行合龙的最佳时间，对悬臂段竖向位移进行了24 h连续观测，每0.5h测1次数据。观测发现，1:00～7:00高程变化相对较平缓，5:00悬臂段竖向挠度最小，如以此为基准即假定此时竖向位移为0，则16:00悬臂段竖向位移最大，端截面处竖向位移为 -16 mm。与按桥规温度梯度作用计算的悬臂段竖向位移相比，实测的24 h内悬臂段最大竖向位移相对小一些，如图4所示。

图4 悬臂段在温度梯度作用下的位移

理论计算和实测均表明，温度梯度作用对合龙前悬臂段的竖向位移影响较大。在选择连续刚构合龙时间时，应充分考虑这一因素，否则对成桥的内力和线形影响较大。如图5所示，在桥规温度梯度作用下合龙，在箱梁内产生的附加弯矩达 -16 000 kN·m，箱梁附加位移达 -21 mm;在实测悬臂挠度最大时合龙，在箱梁内产生的附加弯矩达 -9 700 kN·m，箱梁附加位移达-13 mm。因此，应当在悬臂段竖向位移较小且变化平缓的时间段内锁定劲性骨架进行合龙施工。

图5 在温度梯度作用下合龙对成桥状态的影响

3 合龙高差的影响分析

在连续刚构桥施工中，由于施工控制不好，往往出现中跨合龙时高差过大的情况［5］。此时，一般按文献［3］的处理方法，采取压重将高程调整到设计要求进行强制合龙。但是，通过压重强制合龙成桥后，在箱梁内会产生很大的附加内力，且结构内力分配不均，压重一侧悬臂负弯矩很大，对结构受力十分不利。在合龙高差为5 cm和10 cm两种情况下，通过压重强制合龙后中跨箱梁的附加弯矩计算结果如图6所示。附加弯矩与合龙高差呈线性关系，合龙高差越大成桥结构附加弯矩越大。另外，对较大的合龙高差，确定压重时必须考虑结构的承载能力，因此必须在施工过程中加强监测与控制，避免出现合龙时高差过大的情况。

图6 压重调整高差强制合龙对成桥内力的影响

4 顶推力的影响分析及确定方法

连续刚构墩梁固结，合龙后混凝土收缩徐变会使墩顶发生水平位移，桥墩因此发生挠曲变形并产生附加内力。特别是矮墩连续刚构桥，由于墩身较矮而刚度较大，墩顶较小的位移就可在桥墩内产生较大的内力。因此，在合龙时应对结构进行预先调整，施加适当的顶推力，使成桥后的受力状态和线形更趋于合理。

未顶推、1 000 kN顶推力、2 000 kN顶推力三种情况下，10年收缩徐变后，刚构关键点位移如表1所示。施加1 000 kN顶推力，墩顶水平位移减小9.2 mm，边跨跨中竖向位移增加1.7 mm，中跨跨中竖向位移减小4.0mm;施加2 000 kN顶推力，墩顶水平位移减小18.3 mm，边跨跨中竖向位移增加3.4 mm，中跨跨中竖向位移减小8.0mm。可见，通过施加顶推力预先调整可以有效改善结构因收缩徐变而产生的变形。

未顶推、1 000 kN顶推力、2 000 kN顶推力三种情况下，10年收缩徐变后，桥墩内力如表2所示。施加1 000 kN顶推力，中跨根部弯矩增加16%，中跨跨中弯矩减小47%，墩底弯矩减小38%;施加2 000 kN顶推力，中跨根部弯矩增加32%，中跨跨中弯矩减小93%，墩底弯矩减小75%。可见，通过施加顶推力预先调整可以有效改善结构因收缩徐变而产生的次内力，而使结构受力更趋合理。

表1 成桥10年后关键点位移比较 mm

表2 成桥10年后桥墩控制截面内力比较 kN·m

此外，在施工中由于施工进度等因素，有时不可避免选择在高温条件下合龙。成桥后因降温作用将导致主梁缩短、墩顶产生向中跨方向的水平位移，主梁及桥墩将产生温度附加内力，若温度附加内力过大还会影响结构安全。为了消除高温合龙的不利影响，可在连续刚构桥合龙时对梁体施加水平顶推力，抵消因温度差引起的位移与内力，使成桥结构内力处于合理范围［6］。

综上所述，顶推力的大小需要考虑合龙后结构的收缩徐变和均匀温度作用，同时还要考虑桥墩的承载能力。顶推力的大小以消除墩顶水平位移为宜，计算步骤如下:第一步，计算成桥10年后，在收缩徐变作用下墩顶水平位移，如果在高温合龙，还需计算降温引起的墩顶水平位移，降温幅度按实际合龙温度减设计合龙温度;第二步，计算引起墩顶同样大小反向水平位移所需的墩顶水平推力;第三步，验算在计算顶推力作用下墩身的承载力是否满足要求，并留有一定安全储备，若不满足应调整顶推力。