边墩合龙时间对节段拼装连续刚构桥的影响浅析

段传武,吉 明

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550000 ）

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥也称墩梁固结的连续梁桥，为超静定结构体系。采用节段预制拼装方式施工的连续刚构桥，多应用于城市高架桥中，此类桥型体系无支座，后期维修养护成本较低，桥梁的桥面连续性及行车舒适性均较好，是一种值得研究和重视的桥梁型式[1-3]。预制拼装简支转连续刚构桥在成桥以后全桥的桥墩均与主梁形成固结，在施工过程中存在多次结构体系转换，内力变化较为复杂。

1 工程概况

某桥梁工程项目为节段拼装简支转连续刚构桥，该桥跨径为四跨一联（38+40+40+38）m，桥型布置图如图1所示（为方便该文叙述，将下部桥墩依次命名为1号墩、2号墩、3号墩、4号墩、5号墩）。该桥的总体施工工序为基础和桥墩施工—浇筑中墩和次中墩墩顶0号块—架桥机吊装预制节块—张拉预制节块简支束—浇筑湿接缝后张拉墩顶负弯矩束和底板通长束—浇筑1号、5号边墩墩顶后浇固结带，并张拉边墩竖向预应力—桥面铺装—成桥运营。

图1 该桥桥型布置图

2 施工工艺流程

该桥节段梁实行梁场工业化集中预制，然后根据吊挂的排列顺序用载重汽车运送到桥下，利用移动支架架桥机提升、吊挂，全部节段梁吊挂完之后进行拼接，在相邻两个拼接节段的匹配面满涂胶结材料，并利用架桥机进行匹配面对接，再穿临时简支预应力钢束并施加预应力，架桥机辅助调整定位，拼接节段吊挂从提升机转移到固定吊杆，继续下一节段梁的拼接，如此循环，直至全跨完成[4-5]。该桥施工工艺流程如图2所示。由上图能看出拆除中墩临时支架与张拉边墩竖向钢索间可以有一定的时间间隔，该文利用迈达斯有限元软件建立模型，分别计算中墩临时支架拆除后7 d、15 d、30 d、60 d、90 d、180 d、365 d进行两个边墩的竖向钢索的张拉对结构内力、变形的影响。该桥有限元模型中的混凝土、预应力钢绞线等材料的基本力学性能及参数均按实际工程及相关规范进行取值。

图2 该桥施工工艺流程

3 桥墩内力与变形结果分析

利用迈达斯有限元软件建立不同时间参数的全桥模型，即中墩临时支架拆除后间隔时间分别为7 d、15 d、30 d、60 d、90 d、180 d、365 d以后再进行两个边墩的固结。计算得到恒载作用下不同边墩合龙时间的墩顶位移、墩顶弯矩、墩顶剪力如图3~5所示。

图3 不同边墩合龙时间的墩顶位移

图4 不同边墩合龙时间的墩顶弯矩

图5 不同边墩合龙时间的墩顶剪力

由图3~5数据分析可知：

（1）不同的边墩合龙时间对1号边墩的墩顶位移影响较大。7 d后合龙的1号边墩墩顶位移为24.8 mm，365 d后合龙的1号边墩墩顶位移为13.6 mm，365 d后合龙和7 d后相比较边墩墩顶位移减小了11.2 mm，减小幅度为45.2%。这说明边墩合龙时间越晚，边墩的变形越小。

（2）不同的边墩合龙时间对1号边墩的内力影响也较大。7 d后合龙的1号边墩墩顶弯矩为3 194.7 kN·m，墩顶剪力为534.8 kN，而730 d后合龙的1号边墩墩顶弯矩为1 384.9 kN·m，墩顶剪力为246.5 kN，365 d后合龙和7 d后合龙相比较墩顶弯矩减小了1 809.8 kN·m，减小幅度为56.7%，墩顶剪力减小了288.3 kN，减小幅度为53.9%。这说明边墩合龙时间越晚，边墩的内力越小。

（3）对于2号次边墩墩顶位移，7 d后合龙的2号次边墩墩顶位移为16.1 mm，365 d后合龙的2号边墩墩顶位移仍为16.1 mm，没有发生变化。对于2号次边墩墩顶弯矩和墩顶剪力，7 d后合龙的2号边墩墩顶弯矩为7 283.4 kN·m，墩顶剪力为1 340.4 kN，而365 d后合龙的2号边墩墩顶弯矩为6 961.2 kN·m，墩顶剪力为1 300.7 kN，365 d后合龙和7 d后合龙相比较墩顶弯矩减小了322.2 kN·m，减小幅度为4.4%，墩顶剪力减小了39.7 kN，减小幅度为3.0%。这说明不同的边墩合龙时间对2号次边墩的内力有一定的影响，但影响程度非常小。

（4）综上，不同的边墩合龙时间对边墩的受力和变形影响较大，而对中墩、次边墩的影响很小，边墩合龙时间越晚，边墩的内力和变形越小。这是因为边墩合龙时间越晚，意味着边墩越晚进入刚构体系受力，主梁的收缩徐变完成得越充分，则边墩合龙以后主梁发生的收缩徐变越少，故边墩承受的内力和变形越小[6]。因此，从桥墩墩身内力与变形来看，延迟边墩的合龙时间对桥墩的受力和变形有利。

4 主梁应力与变形结果分析

4.1 主梁应力

利用迈达斯有限元软件建立不同时间参数的全桥模型，即中墩临时支架拆除后间隔时间分别为7 d、15 d、30 d、60 d、90 d、180 d、365 d以后再进行两个边墩的固结。计算得到恒载作用下主梁1号墩墩顶截面、第一跨跨中、2号墩墩顶截面、第二跨跨中、3号墩墩顶截面、第三跨跨中、4号墩墩顶截面、第四跨跨中、5号墩墩顶截面的上、下缘压应力值如表1~2所示。

表1 各主梁主要截面上缘应力 /MPa

表2 各主梁主要截面下缘应力 /MPa

由表1~2数据可以看出：

在收缩徐变作用下，365 d后合龙和7 d后相比，1号边墩墩顶主梁截面的上缘压应力有所减小，减小约0.214 MPa；1号边墩墩顶主梁截面的下缘压应力有所增加，增加约0.375 MPa；而其他主要截面的应力变化值均不超过0.1 MPa，变化幅度更小。这说明不同的边墩合龙时间对主梁各主要截面的上、下缘应力有一定的影响，但影响程度很小。

4.2 主梁变形

利用迈达斯有限元软件建立不同时间参数的全桥模型。不同边墩合龙时间的跨中挠度计算结果如表3，主梁成桥线形如图6。挠度以向上为正、向下为负。1号墩墩顶梁段节点号为1、2、3，第一跨跨中节点号为11，2号墩墩顶梁段节点号为21、22、23，第二跨跨中节点号为33，3号墩墩顶梁段节点号为43、44、45，第三跨跨中节点号为55，4号墩墩顶梁段节点号为65、66、67，第四跨跨中节点号为77，5号墩墩顶梁段节点号为85、86、87。

表3 不同边墩合龙时间的跨中挠度 /mm

图6 不同边墩合龙时间的跨中挠度

由图6、表3可知：

（1）不同边墩合龙时间对两个边跨跨中挠度有一定的影响。7 d后合龙的边跨跨中挠度为12.9 mm，365 d后合龙的边跨跨中挠度为16.1 mm，365 d后合龙和7 d后相比较边跨跨中挠度增加了3.2 mm。这说明随着边墩合龙时间的推迟，边跨的跨中挠度有一定程度的增大。

（2）对于中跨跨中挠度，7 d后合龙的中跨跨中挠度为6.9 mm，365 d后合龙的中跨跨中挠度为7.5 mm，365 d后合龙和7 d后相比较中跨跨中挠度增加了0.6 mm。与边跨相比，边墩合龙时间对中跨的变形影响更小。

（3）综上，边墩合龙时间越晚，意味着桥梁结构保持为边墩铰接中墩刚结的部分刚构体系的时间越长。而在部分刚构体系状态时，主梁两端部未进行墩梁固结，主梁受约束的限制较弱，所以主梁的收缩徐变变形较大，即边墩进行合龙的时间越晚，边跨、中跨的跨中挠度越大[7-8]。因此，预制节段拼装连续刚构桥边墩的合龙时间越晚则主梁的上拱变形越大，施工时应根据不同的边墩合龙时间正确、合理地设置预拱度。

5 结语

（1）从桥墩受力变形和合龙时间来看，该节段拼装连续刚构桥两个边墩的合龙时间越晚，边墩的内力和变形越小，而不同的边墩合龙时间对中墩和次中墩的结构受力与变形影响较小，这说明边墩的合龙时间越晚对桥墩的受力和变形越有利。从主梁受力和变形来看，两个边墩的合龙时间越晚，主梁成桥后跨中挠度有所增大，施工时应根据不同的边墩合龙时间正确合理地设置预拱度。

（2）在实际施工中应把握好两个边墩的合龙时间，在中墩临时支架拆除后选择适当的时间进行边墩竖向钢束的张拉，以达到桥墩内力和变形均较小的目的。综上，在保证施工工期的前提下，从桥墩受力和变形方面考虑，建议尽量推迟该节段拼装连续刚构桥两个边墩的合龙时间。