大跨刚构桥梁主梁施工关键技术

摘 要：以某高墩大跨连续刚构桥为研究对象，通过有限元分析的方式进行建模分析。分别探讨了该桥梁墩顶在永久作用和合龙温差条件下的水平位移，并以此为基础计算所需顶推力，最终得出在12～17℃的合龙温度下的顶推力，为桥梁在非设计温度下的合龙施工提供参考。

关键词：高墩大跨刚构桥;顶推施工;合龙温差;水平位移;

作者简介：曹彦青（1976—），女，工程师，研究方向为桥梁工程。;

出于对地形地貌的考虑，山区桥梁多为高墩大跨连续刚构桥。高墩大跨连续刚构桥采用的是墩梁固结体系，具备连续梁桥和T型刚构桥的优点[1]。当前已有较多关于高墩大跨连续刚构桥施工的研究，如陶斌通过模拟大跨度刚构桥的施工流程，探讨了结构施工监测中各项参数的影响[2]；杨鹏分析了大跨度连续刚构桥各关键截面在施工时的应力应变情况[3]；吴锋等人分析了大跨度连续刚构桥的合龙顶推力[4]。随着桥梁建设中高墩大跨连续刚构桥地位的不断提高，高墩大跨度连续刚构桥也不断向更高跨度、结构更轻盈的方向发展，该类型桥梁的施工难度也在不断增大，为确保施工的安全性，必须采取针对性的施工技术。

本文以某高墩大跨连续刚构桥为研究对象，其跨径分布为90 170 90m。其中，3#和6#桥墩为矩形实心墩，截面长度5m，宽2m，高度分别为24.5m和18.5m;4#和5#采用薄壁矩形空心刚构墩，高度分别为103m和87.9m。桩基础为钻孔灌注桩，混凝土等级为C35。

基于桥梁设计图纸以及施工安排，通过有限元模拟软件进行桥梁建模。模型中，全桥节点共179个、单元共159个。主梁和主墩均使用梁单元进行模拟，主梁单元共99个，主墩单元共57个。模型中以刚性连接的方式模拟墩梁固结，以仅受压的弹性连接对边跨现浇段托架进行模拟。

在未锁定劲性骨架时，通过千斤顶等施加给结构悬臂梁段位置一个朝外的顶推力，使其发生一段位移，再将劲性骨架焊接固定以使其存储一定压力即为顶推。因高墩大跨桥采用的是墩梁固结方式，桥梁在合龙完中跨之后即代表已经完成了体系的转换，主梁在各项因素的影响下将会朝向跨中出现水平位移。跨中将会有下挠出现，导致墩顶水平位移增加，墩底则会有附加弯矩出现，因各项因素的影响跨中合龙段的底板和腹板将会出现开裂等现象[5]。为确保合龙质量，避免出现过大的主梁跨中下挠，使运营时期的桥墩偏位有所减小，一般在合龙中跨之前会在主梁合龙位置施加顶推力，以使其出现反向偏位，从而抵消桥墩偏位，确保桥梁安全性和耐久性。

桥梁重量等各项永久作用下导致的桥梁偏位之和即为成桥时期桥墩墩顶位移总值。计算桥墩墩顶累计偏位可得表1所示结果。

表1 各因素下墩顶累计偏位 下载原图

（单位：mm)

从结果可以看出，预应力束之外的各项因素均会引起主梁跨中出现下挠，并且，预应力束和混凝土的收缩徐变是引起施工和运营时期位移的主要因素。为取得在没有墩顶不利偏位影响下的水平顶推力，分别将不同的水平顶推力施加到主梁顶推处，并计算墩顶10年收缩徐变后墩顶在不同顶推力影响下的水平位移值。

图1 顶推力与墩顶位移 下载原图

由图1可知，墩顶位移和顶推力表现为线性联系，即随着不断增加的顶推力墩顶位移在不断减小，在降低到0之后反向增加。在4#墩中，墩顶水平偏移量在顶推力平均上升500kN时为8mm，在5#墩中，墩顶水平偏移量在顶推力平均上升500kN时为5.5mm，可知4#和5#墩每次在进行1mm的顶推时，分别需要63.1kN和90.7kN的顶推力。

为确保运营时桥梁保持在健康状态，在顶推位移的取值计算时需注意：顶推量的理论计算是桥梁顺桥向在10年收缩徐变后的累积位移，但其边跨支座在进行有限元分析时将未进行纵向约束，没有将支座摩阻力考虑在内，因此实际取值应为80%的理论值。桥梁收缩徐变进行得较慢，若顶推量采用的是10年收缩徐变所导致的位移值，则桥墩会出现过大的反向位移，不利于安全性，且设计时，允许柔性墩出现一定的纵向位移，因此，综上分析，一般情况下以60%的收缩徐变量作为实际取值。

可得：4#桥墩墩顶顶推位移Δ1=40.9mm，顶推力为FΔ1=2589kN;5#桥墩墩顶位移为Δ2=33.4mm，顶推力为FΔ2=3037kN。为便于施工，以4#和5#墩顶推力平均值作为中跨合龙段的实际顶推力，即FΔ=（FΔ1 FΔ2）÷2=(2589 3037）÷2=2813kN。

施工时在进度等的影响下会导致合龙温度不符合设计要求[6]。可知低温合龙后，升高温度对合龙段受力较为有利，且能够避免其出现裂缝，但若无法进行低温合龙，则需通过顶推等方式使温差效应降低，以确保运营阶段的桥梁受力和线形满足设计要求。

该桥梁设计时以8～12℃作为合龙温度，基于桥梁所处环境的考虑，以12℃作为桥梁的合龙温度。因桥梁的合龙施工工期预计在9月，结合往年平均气温考虑可知其约为15℃。现计算合龙段在0～5℃的合龙温差下的顶推力，以研究和合龙温差与顶推力的联系。

图2 各温差与墩顶位移的联系 下载原图

由图2可知，在高温合龙后，成桥时降低温度会使主墩出现朝向跨中的位移；4#和5#墩墩顶位移和合龙温差有线性联系。结合该发现，分析合龙温差和顶推力的联系可知，顶推力和合龙温差存在线性联系，在合龙温度和设计温度相等时仅需0kN的顶推力；若合龙温度在设计温度以上，则需要0kN以上的顶推力且随着不断升高的温度顶推力也在不断增大，不利于桥墩安全性，应适当提高顶推力；若合龙温度在设计温度以下，则需要小于0kN的顶推力，有利于结构安全。综上分析可得如表2所示结果。

表2 合龙温差下的合龙顶推力 下载原图

抵消永久作用和合龙温差水平偏位所需要的顶推力即为实际合龙顶推力。综合上述分析可得如表3所示结果。

表3 各合龙温度下跨中合龙段实际顶推力 下载原图

本文基于有限元分析的方式，分析了某高墩大跨连续刚构桥在非设计温度下的合龙顶推力，探讨了确定合龙顶推力的方法，对主墩墩顶在永久作用和合龙温差共同作用下的水平位移值进行计算，并基于此偏位值探讨了抵消该偏位的顶推力数值，最后得到各合龙温差时桥梁合龙顶推力的合理值。

[1] 王金峰，刘斌.高墩大跨度连续刚构桥结构特点及施工控制[J].中国港湾建设，2005(3):40-43.

[2] 陶斌.大跨径刚构桥施工控制及其影响因素分析[D].西安：长安大学，2016.

[3] 杨鹏.（108 190 108）m连续刚构桥施工监控研究与实践[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.

[4] 吴锋，王斌，宋旭明，等.基于线性规划的连续刚构桥合龙段顶推力研究[J].长安大学学报（自然科学版），2017,37(5):65-72.

[5] 田仲初，莫冬华.高墩大跨连续刚构桥合龙施工预顶力及预顶效应研究[J].公路与汽运，2011(5):160-162

[6] 魏明亮.大跨径连续刚构桥合龙顺序及顶推力研究[D].西安：长安大学，2013.

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