矮墩连续刚构桥合龙顶推力研究

张茂龙,杨成斌

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

矮墩连续刚构桥合龙顶推力研究

张茂龙,杨成斌

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

连续刚构桥中跨合龙时需要通过施加顶推力对结构的内力状态进行预调整.结合工程实例,讨论了柔性基础矮墩连续刚构桥合龙顶推力的确定方法,分析了顶推前后结构的内力与变形规律,得出施加顶推力来主动调整内力可有效地改善桥梁结构的受力和使用状态,提高桥梁的耐久性.

矮墩;连续刚构桥;柔性基础;合龙;顶推

预应力连续刚构桥多利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的纵向位移,即把高墩视作一种摆动的支承体系[1].连续刚构墩梁固结,若下部结构的整体刚度较大,温度变化、混凝土收缩徐变等因素引起的次内力就会相当大.同时,后期的收缩、徐变也会使梁体产生竖向挠度和水平位移,造成主墩的偏位,影响桥梁的美观和行车舒适性,同时也对主墩的受力产生不利影响.因此,在合龙前应尽可能对结构进行主动调整,以使结构的受力和使用状态更趋于合理.

自重及二期恒载、混凝土收缩徐变、预应力钢束张拉等产生的水平力是单向的,存在主动调整的可能性[1],根据这种情况,考虑在主跨合龙前对结构实施一定吨位的预顶力,以克服或部分克服恒载产生的水平力,从而减小使用阶段墩身、基础承担的水平力及其水平变位,同时,在不过多增加工程造价的前提下,使基础的设计更趋合理.

1 预顶力大小的选择

预顶吨位选取是否合适将直接关系到主动调整的效果,过小会导致主动调整的效果不明显,过大又会使悬臂端部的梁体竖向变形和墩根部弯矩过大,对墩身受力带来不利影响.

1.1 抗推刚度公式

抗推刚度简单点说就是产生单位水平位移时所引起的作用力.要计算施加的顶推力大小需要知道下部结构的抗推刚度和墩顶发生的水平位移.

①对于低桩承台基础,其墩身以下部分的抗推刚度很大,墩身刚度便需要足够小,在计算此类刚构桥主墩的抗推刚度时,可近似将主墩按下端固结,上端自由的悬臂柱(如图1所示)进行处理.[2]

则单肢矩形空心薄壁墩(见图2),抗推刚度为:

②而对于髙桩承台群桩基础,群桩的柔性通常较大,此时墩身以下部分的柔度对下部结构的抗推刚度影响不可忽略.即使墩身的抗推刚度很大(矮墩),下部结构的整体抗体刚度也未必会很大[3],这就是为什么许多连续刚构桥仍然能够采用大刚度矮墩.对于这种情况,需充分考虑桩基的影响,以下部结构的整体抗体刚度为准,切不可忽略了桩基的柔度.

如图3,主墩和桩基分别具有不同的抗推刚度,两者通过承台刚接,下面介绍其整体抗推刚度的近似推导过程.

承台刚度无穷大,因此将承台简化为刚节点2,点3是冲刷线以下的水平位移零点:

图中k1、k2为主墩与桩基的抗推刚度,墩高l1,桩长l2,水平力p作用于墩顶点1(图3a).现将P平移到桩顶点2(如图3(b)所示),图3(c)表示点1、点2在水平荷载P的作用下发生的水平位移(鉴于承台刚度极大,θ值很小,桩基转动对墩顶水平位移的影响很小,因此不考虑弯矩的影响[4]),点2的水平位移为 Δ2=,从而得点 1的水平位移 Δ1=则下部结构的整体抗推刚度:

式(2)表明:具有柔性髙桩承台基础的连续刚构桥,下部结构的整体抗推刚度受桩基的刚度影响较大.

1.2 工程实例

广东某特大桥主桥墩高仅18 m,是典型的矮墩预应力混凝土连续刚构桥.主墩为单肢柔性薄壁墩(C40),矩形空心截面(见图4).典型南方粘土地基,柔性高桩承台嵌岩群桩基础(C30),桩基总长45 m,自由桩长16 m,桩基平面布置如图5所示.合拢顺序为先边跨后中跨.

先计算薄壁墩在正常合龙情况下由合龙温差、混凝土收缩徐变(10年)等引起的水平变位,然后通过其水平位移来确定水平顶推力,本桥采用有限元软件建模计算水平位移.

1.2.1 Midas有限元模型

采用有限元分析软件Midas/civil建模(图6)[5]分析.施工过程分为63个阶段,采用平面梁单元将主梁分为140个单元、141个节点,主墩跟桩基共分为90个单元.墩台刚结,桩底固结,两边跨端部仅设竖向支承.主墩编号从左至右依次为12#、13#、14#.

图 6 Midas模型

1.2.2 墩顶位移

为了确定两边墩(12#、14#)由于结构体系转换、合龙温差以及收缩徐变引起的水平变位,按照施工工序建立有限元模型,收缩、徐变终止时间设定为3600 d(约10年)根据合龙时的气温情况,为避免合龙温差的影响,结合工程实际,合龙温度取为设计合龙温度(20℃),计算出合龙时不施加顶推力的情况下:12#墩箱梁截面形心位移Δ1x=43.42 mm;14#墩箱梁截面形心位移 Δ2x=-43.36 mm.(位移以12#到14#方向为正,下同)

1.2.3 顶推力大小确定

中跨合龙前200吨纵向水平推力的施加会使两墩墩顶产生初偏位,经计算,在施加顶推力的情况下,10年后的12#墩、14#墩水平偏位分别为3.3 mm和-3.0 mm,即两墩基本处于竖直状态,由此得出,采用200 t的顶推力是合理的,同时也说明上述桥梁下部结构整体抗推刚度的近似求解过程也是成立的.

未顶推、顶推100 t、顶推200 t三种情况下,10年后的墩顶顺桥向水平位移结果如下表1所示:

表1 墩身水平位移对比表单位:mm

2 结果分析

2.1 截面挠度比较

表2 点挠度对比表单位:mm

10年混凝土收缩徐变后,施加顶推力比不顶推情况下,墩顶水平位移减小了40 mm.施加顶推力后,边跨跨中竖向位移增加21 mm,中跨跨中竖向位移56 mm,而一般连续刚构桥更加关注的是跨中下挠的问题[6],因此顶推的效果是满足要求的.

综上所述,顶推力的施加减小了主墩偏位,改善了桥梁的使用状态,使墩身受力更趋合理,同时,跨中下挠的问题也得到了改善.

2.2 结构附加次内力比较

采用顶推进行内力调整的目的就是为了尽量消除各种因素对结构产生的附加次内力和主墩水平位移.现将施加顶推力前后结构的次内力作一比较[7].

表3 结构控制截面附加次内力比较

施加顶推力以后,削弱了主梁截面附加次内力,优化了结构的受力状态,达到了顶推的预期效果.

顶推力的施加过程中,应注意大吨位顶推力对墩底截面的受力影响,避免墩身开裂:主墩浇注前,监控单位已分别在墩身顶、底部截面埋设了应变计,可以监测顶推过程中墩身的应力变化情况.

3 结束语

本文具体讨论了柔性墩台群桩基础矮墩连续刚构桥合龙时顶推力的确定方法、计算流顶以及实际顶推效果,得出以下几点结论:

(1)大跨连续刚构桥中跨合龙时通过施加顶推力改善了结构的受力和几何状态,提高了结构耐久性;

(2)对于具有高桩承台柔性基础的矮墩连续刚构桥,需注意桩基柔度对下部结构整体抗推刚度的影响;

(3)文中提出的柔性基础矮墩刚构桥合龙顶推力的近似求解方法经验证具有一定的参考价值,可供简算复核使用,顶推力的具体数值可通过有限元程序计算确定.

[1]宋玉普.预应力混凝土桥梁结构[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]徐君兰.顾安邦.连续刚构桥主墩刚度合理性的探讨[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[3]胡自忠,祝立君,黄小国.马目大桥高桩承台群桩基础受力分析与设计[J].山西建筑,2009,35(17):307-308.

[4]凌治平,易经武.基础工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

[5]Edward L.Wilson,Three-dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures[M].Computers and Structures,inc.California,USA,2002.

[6]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]邹毅松,单荣相.连续刚构桥合龙顶推力的确定[J].重庆交通学院学报,2006,25(2):12-15.

Research on Closure Jacking Force of Low Pier Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Mao-long,YANG Cheng-bin

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

T he internal force of a continuous rigid frame bridge must be adjusted by jacking when its midspan is in closure.The method of the closure jacking force of a low pier continuous rigid frame bridge with flexible foundation is discussed.By analyzing the principle of a specific project internal force and displacement after jacking,it is testified that jacking can improve not only the bridge state of working and bearing but also its durability.

low pier;continuous rigid frame bridge;flexible foundation;closure;jacking

TU997

A

1671-119X(2011)02-0092-03

2010-10-30

张茂龙(1985-),男,硕士,研究方向:城市道路与桥梁.