矮墩连续刚构桥合龙顶推计算分析及施工控制研究

摘 要：花都至东莞高速广园快速路跨线桥为(75 125 75) m矮墩混凝土连续刚构桥，上部结构为单箱单室直腹板变截面预应力混凝土箱梁，中跨采用顶推合龙。利用Midas/Civil软件建立三维空间有限元模型，进行顶推效应计算，分析顶推合龙对于施工预拱度的影响，以及顶推对主梁受力性能的改善情况。通过计算可知，顶推对主梁施工预拱度影响较为明显;通过施加顶推力，可以改善混凝土收缩徐变引起的主梁下挠现象，可以改善主梁及主墩的受力性能。同时研究顶推过程中顶推力与位移、应力之间的关系，提出矮墩连续刚构桥中跨合龙顶推过程控制方法，为同类型的桥梁顶推合龙施工控制提供了一定的参考。

关键词：连续刚构桥;矮墩;合龙顶推;施工控制;计算分析;

花都至东莞高速广园快速路跨线桥是一座全长275m的预应力混凝土连续刚构桥，位于R=1150m的圆曲线上，线路纵坡为0.9%，桥面横坡均为单向4%。桥梁跨径布置为(75 125 75)m，上部结构为单箱单室直腹板变截面预应力混凝土箱梁。梁高从跨中3.1m变化到主墩根部的7.4m，底板厚度从跨中0.32m变化到根部0.9m，均按二次抛物线变化;顶板厚度0.3m，腹板厚度0～9#梁段为0.85m,10～13#梁段为0.7m,14～17#及合拢梁段为0.5m;箱梁底板宽8m，顶板宽16.25m，翼缘板悬臂4.125m。连续箱梁设置纵向、横向、竖向的三向预应力。

主墩采用等截面单箱室空心薄壁桥墩，过渡墩采用钢筋混凝土矩形薄壁墩。主墩墩高分别为，12号墩墩高22.587m,13号墩墩高23.162m。

本桥采用挂篮悬臂浇筑施工，箱梁0#、1#节段总长10m，共同浇筑，每个悬浇“T”纵向对称划分为17个节段，合拢段长2m;其余节段长分为3m、3.5m、4m三种，边跨现浇段11.5m。合龙顺序为先边跨后中跨合龙，中跨采用顶推合龙。

图1 广园快速跨线桥桥型布置图 下载原图

按照设计要求，中跨合龙前安装劲性骨架，劲性骨架锁定前施加顶推力460t，顶推力对称施加于截面形心。施工最后一个悬臂浇筑节段(17#段)时，在顶板及底板相应位置预埋直径32mm钢筋及角钢，中跨合龙段钢筋绑扎前，首先进行合龙段临时刚性连接，安装纵向12根45C号热轧普通工字钢Q345B结构钢连接件，工字钢的长度为4m，工字钢与预埋件焊接，劲性骨架锁牢之前用2台千斤顶(分别布置在顶板与腹板交接位置处)同步施加顶推合力。合龙锁定布置见图2。

为了保证合龙顶推时桥梁的安全，顶推过程中对顶推力及顶推位移进行双控，同时需要注意监测墩身根部的应力状态。考虑到在顶推时，实际的顶推力可能要大于设计的顶推力，本桥使用2个500的千斤顶同时顶推。在顶推过程中遵循同步、逐级加载的原则，加载时以每台千斤顶计，依次为50t,100 t,150t,200t,230t。每加载一级要让千斤顶持力15 min，以保证桥墩偏移量达到要求。

图2 中跨合龙段临时锁定图 下载原图

顶推完成后完成中跨合龙段的锁定，锁定必须迅速、对称地进行。锁定连接固定时温度控制在20℃±2℃。劲性骨架焊接完成后选在日最低气温时间段灌注混凝土，混凝土灌注过程中根据混凝土入模方量卸除两端配重荷载。

本桥采用Midas/Civil程序计算，计算考虑桩土耦合作用。主梁、主墩及桩基础均采用空间梁单元模拟，计算时按照桥梁实际空间坐标进行建模分析，考虑平、竖曲线。全桥模型共计1068个单元，1091个节点，主梁共分为96个单元、97个节点，主墩及承台共分为30个单元、32个节点，桩基共分为1658个单元、1644个节点。

顶推计算主要采用2种计算模式，模式1为按照设计要求，中跨合龙前施加460t顶推力;模式2为不施加顶推力。主要计算顶推力施加后对施工控制的影响(主要是预拱度的影响)，以及对结构受力状性能的改善效果。

对于连续刚构桥的施工控制而言，施工预拱度是控制成桥后主梁线形的关键数据，准确的施工预拱度的计算，关系到能否顺利合龙及最终成桥后主梁的线形是否平顺，因此顶推施工对于施工预拱度的影响必须考虑。中跨合龙顶推及不考虑顶推两种计算模式下，施工预拱度(施工预拱度按照综合考虑10年收缩徐变及施工过程恒载累计位移后，反号计算得出)的对比情况如图3所示。

图3 两种计算模式下施工预拱度对比图/mm 下载原图

由图3可知，施加合龙顶推力后，相对于不施加顶推力，施工预拱度存在较大的差别，经过计算，顶推后边跨侧最大悬臂端施工预拱度与不考虑顶推的差值为分别为:12号墩增加16mm,13号墩增加17mm;中跨侧最大悬臂端施工预拱度与不考虑顶推的差值为分别为:12号墩减小61mm,13号墩减小63mm。顶推对施工预拱度影响较大，特别是中跨侧尤为明显，因此在施工预拱度计算时，必须考虑中跨合龙顶推力的影响。

混凝土的收缩徐变是造成连续刚构桥跨中长期下挠的一个极其重要因素，为了分析中跨合龙顶推能否改善刚构桥因混凝土收缩徐变而引起的下挠，分别计算中跨合龙顶推及不考虑顶推两种计算模式下，混凝土收缩徐变的位移，其对比情况如图4所示。

4 两种计算模式下收缩徐变位移对比图/mm 下载原图

由图4可知，顶推后10年收缩徐变位移，边跨侧由3mm增加至6mm，边跨侧变化不明显;中跨侧由-18mm减小至-6mm，收缩徐变位移减小12mm，改善效果明显。因此，通过顶推，可以改善连续刚构桥后期因混凝土收缩徐变而引起的下挠的情况，且改善效果明显。

分别计算两种模式下，主梁节主墩结构内力的情况，以此分析合龙顶推对结构内力的影响，具体计算分析结果如下所述。

两种计算模式下主梁弯矩对比图如图5所示。由图5可知，顶推后主梁弯矩中跨侧变化不明显;边跨侧变化较为明显，顶推后边跨侧正弯矩增大，但是对于墩顶位置处的主梁而言，较大程度的降低主梁的负弯矩，改善墩顶位置处主梁的受力。其中12号墩墩顶位置处负弯矩降低56971.9kN·m,12号墩墩顶位置处负弯矩降低58204.6kN·m。因此，通过顶推，可以降低连续刚构桥墩顶位置处主梁负弯矩，改善主梁的受力性能，且改善效果明显。

图5 两种计算模式下主梁弯矩对比图/(k N·m) 下载原图

两种计算模式下主墩墩顶及墩底的弯矩对比图如图6所示。由图6可知，顶推后主墩墩顶及墩底弯矩改善均较为明显，其中12号墩墩顶弯矩减小27928.8kN·m，墩底弯矩减小42057.7kN·m;13号墩墩顶弯矩减小29674.6kN·m，墩底弯矩减小43319.1kN·m。因此，通过顶推，可以降低连续刚构桥墩顶及墩底位置处的弯矩，改善主墩的受力性能，且改善效果明显。

图6 两种计算模式下主墩弯矩对比图/(k N·m) 下载原图

为了精确控制中跨合龙误差，采用有限元的方法分析顶推力大小与顶推位移之间的关系，主要计算主梁竖向位移变化规律，主墩墩顶水平位移变化规律。计算时按照顶推力分级加载的原则，单台千斤顶以50t,100 t,150t,200t,230t分为5级分别计算主梁累加竖向位移及墩顶累加水平位移的变化规律。具体计算结果如图7、图8所示。

图7 顶推力-主梁累加竖向位移变化规律/mm 下载原图

图8 顶推力-墩顶累加水平位移变化规律/mm 下载原图

由图可知，顶推过程中主梁竖向位移、墩顶水平位移的变化与顶推力的大小呈线性关系。顶推过程中对中跨侧主梁竖向位移影响明显，顶推完成后12号墩主梁中跨侧悬臂端竖向位移为47mm,13号墩主梁中跨侧悬臂端竖向位移为49mm。顶推完成后12号墩墩顶水平位移为-27mm,13号墩墩顶水平位移为29mm。

顶推过程中，主墩在水平力的作用下，导致主墩墩身应力重分布，主墩根部中跨侧产生较大的弯矩，甚至会产生拉应力导致墩身根部受拉开裂，因此，主墩墩身根部特别是中跨侧的应力需要重点关注。顶推过程中，主墩墩身根部中跨侧应力与顶推力的关系如图9所示。

由图9可知，顶推过程中主墩墩身根部应力的变化与顶推力的大小呈线性关系。顶推过程中主墩根部中跨侧压应力随着顶推力的增加而降低，且最终顶推完成后12、13号墩主墩根部应力均为压应力，顶推过程中墩身未出现受拉的情况。

图9 顶推力-主墩墩身根部应力变化规律/MPa 下载原图

连续刚构桥顶推施工过程中需要对顶推力及顶推位移进行双控，除此之外，施工监控单位需要同步对主墩墩身根部的应力进行监测，顶推过程中位移监测测点及应力监测测点的布置情况如图10所示。

图1 0 顶推过程位移及应力监测测点布置图 下载原图

顶推过程中主梁竖向位移及墩顶水平位移监测结果如表1所示，顶推力为单台千斤顶的顶推力，表中列出主梁中跨侧悬臂端竖向位移变化及主墩墩顶水平位移变化实测结果与理论计算结果的对比情况。

表1 顶推过程位移实测结果 下载原图

顶推过程中主墩墩身根部应力监测结果如表2所示，顶推力为单台千斤顶的顶推力，表中列出主墩墩身根部中跨侧应力实测结果与理论计算结果的对比情况。

表2 顶推过程主墩根部应力实测结果 下载原图

顶推过程中位移及应力的监测结果表明，通过现场的顶推施工过程控制，实测主梁竖向位移、主墩水平位移变化及主墩根部应力变化与理论计算结果基本一致，整个合龙顶推过程中结构处于安全状态。

(1)施加合龙顶推力后，施工预拱度存在较大的差别，特别是中跨侧尤为明显，因此在施工预拱度计算时，必须考虑中跨合龙顶推力的影响。

(2)通过顶推，可以改善连续刚构桥后期因混凝土收缩徐变而引起的下挠的情况，且改善效果明显。

(3)通过顶推，可以降低连续刚构桥墩顶位置处主梁的负弯矩，同时可以降低墩顶及墩底位置处的弯矩，改善主梁及主墩的受力性能，且改善效果明显。

(4)合龙顶推过程中，顶推力的变化与主梁竖向位移、主墩水平位移及主墩根部应力的变化基本呈线形关系。顶推过程监测结果表明，通过现场的顶推施工过程控制，实测结果与理论计算结果基本一致，整个合龙顶推过程中结构受力安全。

本文的分析计算结果可供同类桥型采用中跨合龙顶推施工法时提供一定的参考。

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