连续刚构桥合拢状态分析*

赵新宏 费维水 宁晓骏 孟亚锋

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500; 2.河南中豫路桥工程有限公司 郑州 450000)

0 引言

连续刚构桥为墩梁固结形式的连续梁桥[1]，主要采用悬臂浇筑法[2]施工。先进行0#块施工，在此基础上通过移动挂篮对称浇筑后续梁段，然后张拉预应力，最后进行合拢成桥。连续刚构桥在合拢过程中会发生结构体系的变化，由静定结构转化为超静定结构，且随着多个T构的合拢，结构的超静定次数越来越高，合拢顺序的不同会影响到结构的内力和线形。对于跨径较小或跨数较少的刚构桥，合拢顺序的改变对于内力和变形影响不大；随着跨数的增多，合拢顺序对于结构的影响较为明显，合拢作为连续刚构桥施工过程中的一个关键环节，很有必要对合拢阶段进行分析和研究，这关系到桥梁后期运营阶段的寿命及其受力性能。本文以云南某高速路上的一座连续刚构桥为例，通过对比不同合拢顺序下连续刚构桥的下挠及应力情况，选取合理的施工合拢顺序，并对合拢温度进行分析。

1 工程概况

该连续刚构桥跨径形式为(85+4×160+85)m，主梁采用单箱单室截面，C55混凝土，桥面宽度为12.5 m，底面宽度为6.5 m。0#块长度13 m，梁节段划为(9×3+4×3.5+7×4.5)m。1#～20#梁段梁高变化采用1.8次抛物线，跨中梁高3.5 m，0#块位置处梁高为10 m，底板厚度同样采用1.8次抛物线从跨中由0.32 m渐变到1 m，腹板厚度由0.7 m渐变到0.5 m。0#块位置处底板厚度为1.3 m，顶板厚度为0.28 m，腹板厚度为0.9 m。主墩采用双肢薄壁空心墩，最大墩高为110 m，设置两道系梁。桥型布置见图1。

图1 桥型布置(单位：m)

2 建立有限元分析模型

MIDAS/Civil软件相对国内其他软件更为成熟，特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多便利功能，目前已被各大公路、铁路部门的设计院所采用。

本文通过MIDAS/Civil 2019建立全桥有限元模型，全桥共划分542个节点，524个单元(1～250为连续刚构桥单元)。荷载包括：自重、二期、预应力、整体升降温、温度梯度以及施工过程中混凝土湿重和挂篮荷载(取最大梁段重量的0.4倍)的重量。支点位置采用竖向支撑，墩与梁、墩与系梁通过弹性连接-刚性来模拟实际情况。全桥有限元模型见图2。

图2 全桥有限元模型

3 合拢顺序分析

刚构桥施工过程中，施工顺序的不同，会造成体系转换过程中结构内力重分布的情况不同，且其初始内力可能也有所差别[3]。为了分析不同合拢顺序对于结构的影响，考虑了以下4种情况的合拢顺序：

工况1: 先进行边跨合拢，之后次边跨，最后中跨合拢；

工况2:先进行边跨合拢，之后中跨，最后次边跨合拢；

工况3:先进行中跨合拢，之后边跨，最后次边跨合拢；

工况4:先进行中跨合拢，之后次边跨，最后边跨合拢。

对于合拢顺序是否合理，往往通过结构的内力、变形位移等因素来进行考虑，接下来对比不同工况下结构的累积位移和内力情况来确定合理的合拢顺序。

3.1 不同合拢工况下结构的累积位移情况

4种合拢顺序下主梁累计的竖向位移如表1(表中仅列出控制截面位置处的竖向位移)所示。

表1 不同工况下的累计竖向位移 mm

由表1可知，合拢顺序对于合拢位置处的累计竖向位移影响比较大，对于墩顶位置的位移没有影响。其中工况4中2#合拢位置的竖向位移最大，边跨合拢位置竖向位移最小，工况2、3的位移基本相同，工况2与工况1相比，2#合拢位置处竖向位移减小了20.1%，3#合拢位置处竖向位移减小了14.3%，工况3与工况1相比，2#合拢位置处竖向位移减小了20.5%，3#合拢位置处竖向位移减小了12.9%，工况2、3相对工况1更优。

由此可见，合拢顺序对于主梁的立模标高影响比较大，但对墩顶竖向位移没有影响。

3.2 不同合拢工况下结构的内力情况

根据计算可以得到4种不同工况下箱梁上、下缘应力(应力拉为正，压为负值)，如图3—图4(图中所示单元仅为桥长一半)所示。

从图3—图4可以看出,不同合拢顺序下的主梁应力均为全截面受压，且数值比较接近。不同工况下箱梁上缘最大压应力均在墩顶位置处，最小压应力在边跨支点位置处。最大压应力分别为-11.9、-11.8、-11.8、-11.8 MPa；最小压应力分别为-2.61、-2.61、-2.62、-2.62 MPa。与工况1相比，其他工况应力最大差分别为0.36、0.38、0.37 MPa(差值为正表示压应力更大，反之更小)。

图3 成桥状态箱梁上缘应力情况

图4 成桥状态箱梁下缘应力情况

不同工况下箱梁下缘应力均为全截面受压，且最大压应力位置均在墩顶位置处，最小压应力在边跨跨中位置处。最大压应力分别为-10.8、-10.7、-10.6、-10.7 MPa；最小压应力分别为-4.61、-4.44、-4.47、-5.10 MPa。与工况1相比，其他工况应力最大差分别为-0.60、-0.66、-0.64 MPa(差值为正表示压应力更大，反之更小)。

4 合拢温度影响分析

连续刚构桥作为墩梁固结的超静定结构，尤其对于多跨的连续刚构桥来说，温度的变化会产生较大的次内力，另外混凝土的收缩徐变也会受到温度变化的影响，两者的共同影响会产生更大的次内力，所以施工过程中需要严格控制合拢温度[4]。

对于合拢温度的模拟，往往以整体升降温的数值变化来考虑。该桥所在地区的最高气温为35 ℃，最低温度为-5 ℃，设计合拢温度为15 ℃，等同于整体升降温20 ℃。同样考虑合拢温度为10 ℃和20 ℃，也就是升温25 ℃(降温15 ℃)和升温15 ℃(降温25 ℃)。不同合拢温度下主梁应力见表2。

由表2可知，10 ℃合拢相比20 ℃合拢时，主梁压应力增大了0.79 MPa，拉应力减小了0.79 MPa，由此可知，合拢温度对于结构的影响非常显著，合拢温度的提高对于结构更为不利，当整体降温时会使得结构产生较大的拉应力，降低预应力结构的压应力储备。对于合拢温度较低，结构整体温度升高时，结构会产生较大的压应力，对结构更有利。所以施工过程中严格控制合拢温度非常关键，同时应选在1天中温度最低的时间段来进行合拢，如无法按照设计温度进行合拢，可考虑通过顶推力来减少高温合拢对于结构的不利影响。

表2 不同合拢温度下主梁应力

5 结语

(1)通过对比不同合拢顺序下的位移和内力，发现不同工况下的应力情况以及墩顶位移差别不大，但主梁的累计竖向位移有着较为明显的区别，也就是合拢顺序不同对主梁的线型有一定影响，影响主梁的立模标高。

(2)通过分析不同合拢温度，发现低温合拢往往对结构更为有利，整体降温对结构的影响比较大，所以设计以及施工过程中需要严格控制合拢温度，如无法按照设计温度进行合拢，应采取一定措施(施加顶推力[5]等)来减小高温合拢带来的影响。