小边中跨比连续刚构桥技术研究
2021-08-16张文驰
张文驰
(湖南湘江新区管理委员会,湖南 长沙 410000)
1 项目概况
某景观桥右偏角75°,为(20+42+20)m三跨变截面连续刚构,梁底纵桥向曲线按圆弧线变化;桥梁总宽度45m,分两幅设计,北半幅宽度21m,南半幅宽度为24m;桥台采用柱式桥台,桥墩采用实体墩,呈扇形。本桥平面位于直线段上,墩台等角度布置。桥梁施工方法为满堂支架浇筑,图1。
图1 桥型图
项目特点:a.本桥边中跨比常规连续刚构小得多,仅0.47;b.受景观造型、地形控制,桥梁墩高很矮,承台顶至桥面仅8m;c.桥梁斜交布置,斜交角15°;d.设计方已经考虑到桥梁后期端部支座会有负拉力,设置了拉压支座 抗拉承载能力50t,一端6个支座,合计300t负反力)和配重(100t);e.地质情况好,承台以下即为强风化岩,单轴饱和抗压强度frk=3.5 MPa。
现场情况:桥梁在混凝土达到强度,白天张拉预应力后(30℃张拉),晚上降温后梁端所有拉压支座均已拉断,翘起2cm左右。另一幅桥张拉完毕后,出现同样情况。
2 梁端翘起原因分析
本次计算采用Midas2019软件进行,图2。
图2 计算模型
2.1 边界条件
(1)桩基:桩侧土弹簧模拟,桩端固结;强风化岩按frk=3.5MPa,强风化侧向抗力CO=1831250KN/m3,中风化frk=15MPa,侧向抗力CO=8875000KN/m3。本桥中墩表层没有软土层,均为风化岩,其中顶层强风化岩厚度为4m左右,以下均为强风化碎裂岩及中风化岩。强风化层弹簧水平刚度取K1=4120312.5 KN/m,中风化层弹簧水平刚度取K2=19968750KN/m。2)承台-桩基:主从连接。(3)中墩顶-桥墩:刚性连接。(4)边支座与梁:主从连接+弹性连接。(5)满堂支架:弹性连接(仅受压)。
本桥斜交15°,按照规范≤15°时,按正交计算。
2.2 施工阶段模拟
结构计算主要模拟了以下几个阶段:(1)浇筑桩基、桥墩,60天;(2)满堂支架浇筑箱梁,施工人行道二期恒载、施加配重,30天;(3)张拉预应力,5天;(4)拆除支架并激活边跨支座5天;(5)施工二期恒载(主要是桥面浇筑);(6)收缩徐变10年。
2.3 观测数据及翘起原因分析
南半幅桥张拉完毕,发生翘起后,施工方连续对早晚温差进行了观测,详细观测数据如表1。
表1 南半幅位移观测表
考虑7.30 ~8.3 日气温比较接近,最低、最高气温约为26℃、35℃,早晚温差约9°,观测时基本为全年早晚温差最高的季节。根据经验,气温最高一般发生在下午2点左右,由于混凝土吸收热量有延时,可基本认为在3~5点左右整体达到最高温度,现场测量桥面此时温度约为45℃。故根据现场情况,考虑箱梁最低、最高温度按26℃、35℃,顶板最高温度为45℃,整体温度差按10℃考虑,温度梯度差按7℃考虑(顶板升温7℃)。
整体降温10℃时,计算显示现状桥梁在梁端翘起值为3.2 mm。梯度降温10℃时,计算显示现状桥梁在梁端翘起值为5.0 mm。分析显示,在箱梁顶板降温10℃+温度系统降温10℃时,梁端总的位移变化量为3.2 +5.0 =8.2 mm,与南半幅东侧的位移量基本一致。根据测量,南半幅西侧竖向位移量比东侧小很多,桥梁梁端位移不均衡,设计分析应是南半幅西侧的承台嵌固效应较东侧大得多 与现场施工有关),西侧桥台类似承台底部固结,导致西侧竖向变形较少。
初步分析有以下因素能引起梁端反力减少并引发结构上翘:整理降温、梯度降温、砼分批浇筑龄期差距、满堂支架刚度不连续、预应力张拉、收缩徐变等,量化分析见表2。
表2 单项荷载对梁端支反力上翘贡献
2.4 主要结论
考虑施工期间的所有最不利状态,在张拉预应力并满堂支架拆除后,端部每个支座的压力值为F1=11t。
考虑施工期间温度因素、混凝土龄期引起的收缩、支架弹性支撑不连续几个因素在端部每个支座引起的上翘力:F2=-(12.8 +12.3 +2.8 +2)=-30.9 t>F1,计算显示,在张拉完预应力后,考虑降温等荷载时梁端支座负支反力 约20t)。后经详细分析,虽设计文件中要求每个支座有50t的抗拉力,现场实际测量后其抗拉能力不到20t,支座螺栓拉断,梁端上翘,与施工现场基本一致。
3 处理方案
针对以上分析结论,桥梁进行了以下处理:
3.1 凿除中墩靠河一侧桩头强风化岩1m,凿松0.5 m,释放桩基变形,减少桥墩整体刚度。
3.2 对翘起的梁端进行顶升,每幅桥每端总顶力:右幅210t,左幅192t,顶升位移均为0.8 cm。
3.3 取消原设计伸缩缝,延长梁端配重3m,将配重与台后搭板做到一起。
4 结论与建议
矮墩连续刚构桥对温度特别敏感,设计时应采取多种手段减少温度、收缩徐变等对结构的影响,主要包含以下方面:(1)墩身刚度不宜过大,设置跨中后浇带和顶推后合拢,以改善墩身的受力;(2)连续刚构施工温度不宜太高,以20℃以内合拢较好;(3)对于小边中跨比的连续刚构,应考虑施工阶段温度荷载对结构的影响;(4)梁端发生翘起,对结构进行顶升时,要优化顶升力,以求结构的内力状态最优;(5)尽量不采用小边中跨比的连续刚构,特别在地质条件较好的情况下,实在要采用,可以将搭板与主体结构合并设计,以改善支座受力;(6)勘察方提供的岩土力学参数往往打了较多折扣,设计方对于类似结构一定要与勘察充分沟通,把握好岩土力学真实情况,矮墩刚构桥“怕硬不怕软”,错误的估计侧向抗力往往导致严重的后果;(7)此类型的结构需有较大的设计冗余,特别是支座支反力、桥墩结构、配重、拉压支座处。