合龙顶推对桥梁线形及应力分布的影响分析

2016-11-29申亚洲

公路与汽运 2016年5期

关键词：主墩墩顶理论值

申亚洲

（衡阳市交通建设投资有限公司，湖南衡阳 421000）

合龙顶推对桥梁线形及应力分布的影响分析

申亚洲

（衡阳市交通建设投资有限公司，湖南衡阳 421000）

以茅叶滩湘江大桥为工程背景，运用MIDAS模拟六跨连续刚构桥空间梁单元，根据消除墩顶水平位移法计算顶推力，对刚构桥顶推前后线形、应力实测值、理论值进行分析，得出顶推作用下刚构桥应力、线形满足规范要求；通过理论计算，得出成桥远期顶推施工对主梁应力影响不大，对靠近顶推梁段线形有利，对主墩偏心受压及墩顶水平偏移病害有明显改善作用。

桥梁；刚桥构；合龙；顶推力；墩顶水平位移

T形刚构桥在施工及运营期间由于温度、预应力及砼收缩徐变的影响，跨中会产生较大挠度，桥墩在梁体收缩作用下会向内侧倾斜变形。为了消除这种不良影响，实际施工中通过施加合龙顶推力使主墩产生反向预偏量，抵消主墩水平位移。近年许多学者对顶推技术进行研究，提出了多种计算顶推力和顶推位移的方法。该文依托茅叶滩湘江大桥，分析合龙顶推对桥梁线形及应力分布的影响。

1 茅叶滩湘江大桥顶推设计方案

茅叶滩湘江大桥是衡阳市衡云主干线机场专用公路上横跨湘江的一座特大桥，公路等级为城市Ⅰ级主干道，设计车速为80km/h。桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级，人群荷载为3.5 k N/m，设计洪水频率为1/100，地震动峰值加速度为0.05g，对应地震基本烈度为6度，设计基准期为100年。主桥结构为（55+4×95+55）m连续刚构，桥面宽29.5 m。主梁采用C55砼，主墩采用C50砼。

运用消除墩顶水平位移法计算顶推力。综合考虑理论值与实测值的情况下通过对比顶推前后主梁和主墩重要截面应力、主梁挠度、墩顶水平位移判断顶推作用下刚构桥应力、线形是否满足规范要求；用理论计算方法对施加与不加顶推力成桥1 000 d线形及应力分布进行对比，研究成桥远期顶推施工对主梁应力、线形的影响和对主墩偏心受压及墩顶水平偏移病害的改善情况。顶推方案如下：

（1）施工合龙顺序。按照对称合龙施工原则，首先合龙第1、6跨，合龙前在第3、4跨施加顶推力；其次合龙第2、5跨；最后合龙第3、4跨（见图1）。

（2）顶推位置。遵循顶推力方向尽量和梁截面形心曲线切线方向在一条直线上的原则，确定顶推力施加位置和顶推力作用点（见图1、图2）。

（3）顶推力大小。顶推力为2 500 k N。

图1　茅叶滩大桥顶推位置示意图

图2　茅叶滩大桥顶推点示意图（单位：m）

2 顶推前后刚构桥应力、线形对比分析

采用MIDAS/Civil建立该桥空间有限元模型（见图3），主梁、主墩采用铁摩辛柯梁单元，模型中共37个施工阶段、194个单元。边界条件为：2#～4#桥墩与主梁采用弹性连接中的刚性连接，1#、5#桥墩以滑动支座进行模拟。

图3　茅叶滩大桥有限元计算模型

2.1顶推前后刚构桥应力对比

顶推力对主梁应力影响不能忽略，过大的顶推力会导致部分主梁截面砼压应力超过规范设计值。考虑到对称性，仅对1#～3#主墩和1～3跨主梁进行分析。永久荷载作用下施加顶推力前后主梁关键截面应力理论值与实测值见表1。其中应力实测值在桥梁监控阶段测得，应力测点分布见图4。

表1　主梁关键截面顶推前后应力理论值与实测值对比MPa

由表1可知：顶推施工使主梁截面上缘应力增加，最大增量为12.09%；使主梁截面下缘应力减小，最大减小量为10.88%。顶推前后主梁截面全面受压，最大压应力为8.16 MPa，根据JTG D62-2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，C55砼轴心抗压强度设计值为25.3 MPa，在容许应力范围内。

顶推力对主墩截面应力的影响也不容忽视。永久荷载作用下施加顶推力前后主墩关键截面应力理论值与实测值见表2。

由表2可知：在永久荷载作用下，顶推前后远离顶推作用位置的1#墩A截面应力改变较小；3#墩C截面应力变化较小，其原因为顶推力对称施加在3#墩梁段。2#墩B截面应力变化明显，北面应力由2.96 MPa增加到5.32 MPa，增加79.7%；南面应力由3.18 MPa减小到0.91 MPa，减小71.4%；2#墩出现偏心受压。根据JTG D62-2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，C50砼轴心抗压强度设计值为23.1 MPa，在容许应力范围内。

对比表1、表2理论值与实测值，理论值普遍比实测值大，其原因如下：应变读数仪采集的应变包含砼温度变化和收缩应变；砼弹性模量取值不够精准；传感器埋设的几何位置不够精准。

2.2顶推前后刚构桥线形对比

将顶推前主梁高程理论值和实测值减去永久荷载作用下主梁1 000 d目标高程，得到高程差。主梁顶推前高程差理论值与实测值对比见图5。

图4　茅叶滩大桥应力测点分布（单位：m）

表2　主墩关键截面顶推前后应力理论值与实测值对比MPa

图5　主梁顶推前高程差理论值与实测值对比

由图5可知：顶推前主梁高程实测值普遍比理论值小，最大误差为15mm，小于《公路桥梁施工监控技术规范》要求的20mm，符合规范要求，说明施工合理。

为了分析顶推力对施工阶段主梁线形的影响，对顶推前后主梁挠度理论值进行对比，结果见图6。

图6　顶推前后主梁挠度理论值对比

由图6可知：顶推施工对顶推作用附近主梁挠度影响较大，对远离顶推作用处主梁挠度基本无影响；顶推力使第3、4跨跨中上挠54mm；成桥后由于砼收缩徐变，跨中会向下挠。说明顶推施工对成桥远期线形有利。

在顶推作用下墩顶会产生水平位移，为了得到较好的线形，施工阶段对墩顶线形进行监控，顶推前后各墩墩顶水平位移理论值和实测值见表3。

表3　主墩顶部水平位移理论值与实测值对比mm

由表3可知：顶推前后1#、3#墩顶水平位移无变化，2#墩顶向外环南路方向水平移动14mm。合龙后在低温、砼收缩徐变作用下2#墩顶会向南岳机场方向偏移，施加顶推力可减小主墩侧向偏移。理论值与实测值基本吻合。

3 刚构桥成桥线形、应力分析

3.1刚构桥成桥初期目标线形与实测线形对比

为了方便对比，把理论高程和实测高程分别减去在永久荷载作用下成桥1 000 d的目标高程。成桥初期主梁高程目标值与实测值对比见图7。

由图7可知：成桥初期主梁高程理论值和实测值基本吻合，最大误差发生在各跨合龙段，其中第3、4跨合龙段高程相差最大，分别为14、16mm，小于《公路桥梁施工监控技术规范》要求的20mm，符合要求。

图7　成桥初期目标线形与实测线形对比

3.2顶推施工对刚构桥成桥1 000 d应力的影响

为了研究顶推施工对成桥1 000 d应力的影响，分别对永久荷载作用下成桥1 000 d施加顶推力和不施加顶推力时主梁关键截面、主墩关键截面应力理论值进行对比分析，结果见表4、表5。

表4　成桥1 000 d加顶推力与不加顶推力时主梁关键截面应力对比MPa

表5　成桥1 000 d加顶推力与不加顶推力时主墩关键截面应力对比MPa

由表4可知：顶推力作用下成桥1 000 d主梁截面上缘应力增加，最大增幅为1.05%；下缘应力减小，最大减幅为0.13%。说明顶推施工对成桥1 000 d主梁应力影响不大。

由表5可知：顶推施工对1#、3#墩截面应力的影响不大。不施加顶推力时，2#墩成桥1 000 d时偏心受压严重，墩底截面南面应力是北面的8.76倍；施加顶推力后，墩底截面南面应力是北面的1.92倍。说明顶推施工可改善成桥远期主墩偏心受压病害。

3.3顶推施工对刚构桥成桥1 000 d目标线形的影响

为研究顶推施工对成桥1 000 d刚构桥主梁线形的影响，对永久荷载作用下成桥1 000 d施加顶推力和不施加顶推力时主梁挠度进行对比分析，结果见图8。

图8　成桥1 000 d加顶推力与不加顶推力时主梁挠度对比

由图8可知：顶推使第3、4跨跨中上挠34mm，运营阶段由于砼收缩徐变，跨中会下挠，顶推使第3、4跨跨中有上挠储备，对成桥远期线形有利。

2#、3#主墩受顶推影响最大，对施加不同顶推力时成桥1 000 d时2#墩顶水平位移进行对比分析，结果见表6。

表6　不同顶推力作用下成桥1 000 d时2#墩顶水平位移对比

由表6可知：不施加顶推力时，成桥1 000 d时2#墩墩顶会向南岳机场方向偏移12.3mm；随着顶推力的增加，偏移量会逐渐减小，当施加3 500 k N顶推力时，2#墩墩顶会向外环南路方向偏移9.1mm。用插值法求得当顶推力为2 436 k N时，成桥1 000 d时2#墩顶水平位移为零。为加载方便，设计顶推力取2 500 k N。分析表明施加合理的顶推力可改善成桥远期墩顶水平偏移情况。