基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力

沈阳大学学报(自然科学版)

)JournalofShenanniversitNaturalScienceygUy(

Vol.30,No.4

Au.2018g

()文章编号:2095-56201804-0319-07

基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力

马玉荣1,陈海波2,吕改锋3,陈恒大4

(1.安徽新华学院,安徽合肥 230088;2.江苏交科交通设计研究院有限公司,江苏南京 210002;)3.安徽建筑大学,安徽合肥 230601;4.陕西省土地工程建设集团,陕西西安 710075摘 要:为解决多跨连续刚构桥梁合龙顶推力求解的问题,依托某多跨连续刚构桥梁,推导不同温差条件下的合龙顶推力理式,并选取工程实例进行了有限元模型的验证,系统研究了基于一次性合龙方式的连续刚构桥梁合龙顶推力求解.

关 键 词:桥梁工程;连续刚构;一次性合龙;顶推力中图分类号:U441.5 文献标志码:A

连续刚构桥梁因其较好的经济性能、优秀的跨越能力和轻盈雅致的外观得到工程师的青睐.多跨连续刚构桥梁,在沟壑纵横的西部地区有着巨大的应用潜力.连续刚构桥梁的挂篮现浇工艺比较成熟,但跨中合龙段的高程控制和顶推力确定仍然比较困难.尤其是有些多跨连续刚构桥梁需要一次性合龙,对工程设计和施工提出了更高]的要求.文献[通过变换墩身高度、主跨长度、收1缩徐变时间等因素对连续刚构桥梁的合龙顶推力进行了研究,建议收缩徐变时间取1文0a即可.]献[对多跨连续刚构桥梁的合龙顺序进行了深2入的研究,从结构受力角度得出了中跨—次中]跨—次边跨—边跨的合理合龙顺序.文献[对多3跨预应力混凝土连续刚构桥梁合龙方案进行了研究,提出为了施工方便,可以考虑边跨—次边跨—]次中跨—中跨的合龙顺序.文献[以合龙时的两4悬臂端的竖向位移为指标,推导出连续刚构桥梁跨中成桥预拱度估算公式,从而反推出合龙顶推]力.文献[研究了多跨连续梁的合龙顺序,考虑5施工阶段便利因素和设计阶段受力因素,分析了]最优合龙顺序.文献[对大跨径连续刚构桥梁的6合理加载龄期进行了研究,充分考虑了温度应力及收缩徐变对连续刚构桥梁合龙时的影响,从而得出相应的合龙顶推力.

综上所述,有关连续刚构桥梁的合龙顶推力

的研究大多是通过有限元仿真模拟的方式进行,很少有合龙顶推力理式的推导,和对公式进行工程实例验证.因此,本文依托某多跨连续刚构桥梁,推导了不同温差条件下的合龙顶推力理式,并选取工程实例进行了有限元模型的验证,系统研究了基于一次性合龙方式的连续刚构桥梁合龙顶推力求解方法,为今后多跨连续刚构桥梁的合龙顶推力计算提供了参考.

1 工程背景

程的一座特大桥梁,其主桥结构形式为预应力混凝土连续刚构体系,跨径组合为(62.5+4×115.0)纵、横、竖三向预应力体系.桥梁平面+62.5m,

位于直线上,纵面位于0.起点附近63%的上坡(,位于凹型竖曲线上)桥宽1箱梁采用单箱2.0m.单室截面,顶板宽1底板宽6.翼缘板2.0m,5m,//跨中梁高2.高跨比为1根部117.7;8m,41.1;底板厚0.跨中底板厚0.梁高及底板厚9m,32m;墩身采用C主桥箱梁采用悬臂浇筑法40混凝土.施工,采用边跨、次中跨及中跨一次性合龙的合龙顺序.该桥的立面布置如图1所示.

悬臂长为2.箱梁根部梁高6.高跨比为75m.5m,度均按2次抛物线变化.主梁采用C55混凝土,

某桥是210国道川口至耀州段公路改扩建工

收稿日期:20180103

)。基金项目:陕西省交通运输厅科技资助项目(13-25k

,作者简介:马玉荣(女,安徽合肥人,安徽新华学院讲师.1985)

320沈阳大学学报(自然科学版) 第30卷

图1 多跨连续刚构桥梁

Fi.1 Multi-sancontinuousriidframebridegpgg

2 有限元模型的建立

对墩梁固结的连续刚构体系,由于超静定次数多,合龙温差和砼的收缩徐变等因素引起结构次内力,产生结构内力重分布和结构变位的非线解.因此本文采用专业桥梁计算软件MIDAS/

,按照施工顺序采用正装计算法对施工过程Civil进行模拟分析计算.

-3,材料密度取26混凝土收缩徐GPa00kg·m.

变采用现行规范提供的计算公式计算变形与预应

来抵消合龙温差、后期收缩徐变等因素引起的主墩水平位移.本文按消除墩顶水平位移的思路计3.1 墩顶水平位移的确定

在合龙顺序确定的情况下,墩顶水平位移主要考虑因结构体系转换、长期载荷作用下混凝土收缩徐变及实际合龙温度与设计合龙温度的合龙温差等因素引起的水平位移.

()混凝土收缩徐变引起的墩顶水平位移.1

对结构进行有限元分析计算时,考虑施工阶段在长期载荷作用下13#~17#墩墩顶的水平位移.为了确定桥墩在正常合龙工况下收缩徐变引起的)计算出在合龙时不施加顶推力的情况下各10a.

墩墩顶在收缩徐变1由0a后各墩顶的水平位移,于墩身中非预应力钢筋的作用,收缩徐变10a后一般不能达到模型计算值.本文分别选取墩顶具体结100%、70%、30%的水平位移值作为参考.果见表1,相应的水平位移如图3所示.

表1 收缩徐变10a后桥墩墩顶水平位移

Table1 Thehorizontaldislacementofthepierp

afteradecadeofshrinkaeandcreegp

mm墩号13#14#15#16#17#

墩顶水平位移75.4

33.873-1.995-37.863-80.53570%

100%

30%

算合龙时的顶推力.

性,而且是变截面箱梁,依靠手算很难得到精确

建模过程中,C55混凝土弹性模量取35.5

力损失.主梁划分为218个梁单元,5个主墩划分为7边界条件模拟为:主梁与墩顶刚5个梁单元;性连接,过渡墩支座模拟成活5个主墩墩底固结,动铰支座,只约束竖向位移.模型建立时去除临时墩,有限元模型如图2所示.

相对变位,收缩徐变终止时间设定为36约50d(

图2 多跨连续刚构桥梁有限元模型图

Fi.2 Finiteelementmodeldiaramofmulti-sanggp

continuousriidframebridegg

3 合龙顶推力分析

由于连续刚构桥是墩梁固结结构,在载荷作用引起竖向挠度的同时,也会使主墩产生相对水平位移,造成主墩偏位,对主墩受力产生不利影响.为了消除此影响,在连续刚构桥合龙时对梁体施加一个水平顶推力,给主墩施加一个反向位移

注:表1负数表示向左侧变形.~表4中数字正数表示向右侧变形,

108.42

48.39-2.85-.09-115.0532.526

14.517-0.855-16.227-34.515

图3 收缩徐变10a后桥梁结构位移图

Fi.3 Dislacementdiaramofbridestructureafteradecadeofshrinkaeandcreegpgggp

第4期 马玉荣等:基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力()温差引起的墩顶水平位移.实际合龙温2

度往往与设计合龙温度有一定差值,由于桥梁合龙后升温较降温对结构受力有利,故尽量选择低温合龙.但由于各种客观因素导致实际合龙温度比设计合龙温度高,则必须采取预顶推来消除合

龙后降温导致的不利效应.

321

为了分析实际合龙温度比设计合龙温度高时

对结构的影响,计算了10个升温值对主梁部分控制截面各节点的水平位移,见表2.

表2 实际合龙温度与设计合龙温度的温差作用下桥墩墩顶水平位移

Table2 Thehorizontaldislacementofthepieroftemeraturedifferencebetweentheactualanddesinppg温差/℃1

2345

13#

14#

墩顶水平位移/mm

-0.061

-0.121-0.182-0.242-0.30315#

16#

17#

2.209

4.4186.6278.83611.0451.074

2.1483.2224.2955.369-1.195

-2.390-3.585-4.779-5.974-2.331

-4.662-6.993-9.324-6.993

移呈线性比例关系,同时也得知,升温使得各节点的水平位移方向与收缩徐变产生的各节点水平位移方向相反,因此若合龙温差不为零,就要使各节点产生水平位移,就必须采取预顶推的方法消除合龙温差产生的效应.若实际合龙温度高于设计合龙温度,即在高温状态下合龙,则要增大顶推力

由表2分析可知,温度变化与各节点水平位

3.2 单位顶推力作用下的墩顶水平位移

在有限元计算中,需在最大悬臂工况下(即中表2中各墩顶产生的水平偏位.1、

在次中跨顶推位置处分别施加0、100、200、各墩顶处的水平位移见表3.300kN的顶推力,跨合龙前)对悬臂端纵向施加的水平推力消除表

抵消合龙后合龙温差产生的不利降温效应.

表3 次中跨施加顶推力时墩顶水平位移

Table3 Thehorizontaldislacementofthepierwhenexertinackinforceonthesidesanpgjgp顶推力/kN

0100200300

13#

14#

墩顶水平位移/mm

-2.849

-2.849-2.849-2.84915#

16#

17#

108.421

100.252.09683.93448.390

.33760.28366.230-.087

-60.618-67.149-73.680-115.049

-105.594-96.139-86.684

顶推力时,各墩墩顶水平位移变化与顶推力呈线性变化,即每施加100kN的顶推力,13#墩顶水平偏位约-8.163mm,14#墩顶水平偏位约

从表3分析可知,在次中跨顶推位置处施加

5.947mm,15#墩顶水平偏位为0,16#墩顶水平

偏位-6.531mm,17#墩顶水平偏位9.455mm.各墩顶处的水平位移见表4.kN的顶推力,

在中跨顶推位置处分别施加0、100、200、300

表4 中跨施加顶推力时墩顶水平位移

Table4 Thehorizontaldislacementofthepierwhenexertinackinforceonmiddlesanpgjgp

顶推力/kN

0100200300

13#

14#

墩顶水平位移/mm

-2.8486

-2.8482-2.8477-2.847315#

16#

17#

108.421

108.425108.430108.43448.390

42.44836.50530.563-.087

-47.559-41.032-34.504-115.049

-115.053-115.056-115.060

顶推力时,各墩墩顶水平位移变化与顶推力呈线性变化,即每施加100kN的顶推力,13#墩顶水16#墩顶水平偏位约6.528mm,17#墩顶水平偏平偏位约0.004mm,14#墩顶水平偏位约

-5.942mm,15#墩顶水平偏位约0.0004mm,

从表4中分析可知,在中跨顶推位置处施加

3.3 顶推力估算公式推导

位约-0.004mm.

移,使其位移量为零,而实际上是难以实现的,也是不必要的.难以实现的原因在于合龙后结构为超静定结构,不必要的原因是若将上述水平位移

理想的顶推力是消除表1、表2中的水平位

322沈阳大学学报(自然科学版) 第30卷

、为5、根据式(式(得出因抵10和15℃时,9)10)消合龙温差产生的水平位移所需要的顶推力,如表5所示.

表5 抵消合龙温差产生的水平位移所需顶推力

Table5 Theackinforcereuiredforcounteractinjgqg

horizontaldislacementeneratedbclosinpgygtemeraturedifferencep

/℃Δt105

/F次2kN1322/F中2kN223446量完全顶推到位,势必造成成桥阶段反向水平位移过大,这对桥梁受力是不利的.因此,表1中顶推后的各节点位移一般取顶推前各节点位移的下文中:30%左右.αα3#~17#撴抵消收13~17为1

**

缩徐变的顶推力系数;αα3#~17#撴抵13~17为1

当给出设计温度与实际合龙温度的温差Δt()抵消收缩徐变水平位移的顶推力.以113#、14#墩因收缩徐变引起的70%墩顶的水平位移为控制目标量,所需要的顶推力需要满足式()、)式(12.

消温度应力的顶推力系数.

-8.163α联立式5(1.9)4、7α13+0.004α14=-75.4;(式13(2-)5解得.942:αα1413=-以16#、17#墩因收缩=徐9变.3303.873.(1

2))引5起;α14的=7105%.0墩13顶

.的水平位移为控制目标量,所需要的顶推力需要满足式(63-.)5、2式8α(4).

16-6.531α17=

37.863;(3

)联立式(3)0、.式00(44α)16解得+9:α.41565=α1174=

.38208.;5α3175.(4)次中跨因抵消收缩徐变产生的水平位移所需=

8.524.要的顶推力为

F次1=æçαè13+α17ö÷·100kN=1.45kN.(5)中跨因收缩徐变2ø

产生的水平位移所需要的顶推力为

F中1=æçαè14+2α16ö÷ø

·100kN=1467.05kN.

(6

)力.当设计合龙温度与实际合龙温度的温差为(2

)抵消合龙温差产生的水平位移的顶推时,以位移位控制目标量13#、14#墩因合龙温差引起的墩顶的水平Δt,则所需要的顶推力需要满足式(7)、8式(8),其中Δt只取数值,

无量钢.**5.7.1937αα1*

3+0.(8)解.0904α1*

4=-2.209Δt;(7)13联立式()、式-5得42:αα1*14=-1.0743*

Δt.(8

)同理可得:α温差产生的水平位移所需要的顶推力为

1*

6

=0.441;α1*

7

==00.2.52870.

;α14次中跨因合龙=

0.451.F次2=æçαè1*3

+2α1*

7

ö÷ø

·100kN=26.4Δt kN.

中跨因合龙温差产生的水平位移所需要的顶(9推)力为

F*

*

中2=æçαè14+2α16ö÷ø

·100kN=44.6Δt kN(.

10

)15396

669

力要抵消(3

)顶推合龙力温求差解和.在结构上实际施加的顶推收缩徐变产生的总水平位移,最终顶推力为所求得的2部分顶推力之和.即:

F次=F次1+F次2=(1.45+26.4Δt) kN;

F=F(中中1+F中2=(1467.05+44.6Δt) k11)当给出设计温度与实际合龙温度的温差(N12.Δt)为5、10和15℃时,根据式(推力的理论值,如表6所示.

11)、式(12)得出总顶表6 施加在结构上的顶推力的理论值

Table6 Tahpeplitehdeotroettihcesaltvraulcuteourefjacking

forceΔt/℃F次/15

1F中/105102k3N1k1125857

16N299011336

为了施工的方便和可操作性,给出以下在结构上实际施加的顶推力的建议值,如表7所示.

表7 施加在结构上的顶推力的建议值

Table7 Rapecploiemdmteontdheesdvtrauluceoturefjacking

forceΔt/℃/15

F次1kNF中/10510105001kN1300

17002910000

工程实例验证

当000、1Δ7t取00kN5℃时,

在次中跨、中跨分别施加的顶推力结构应力计算结果如图4所示.

.

41第4期 马玉荣等:基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力323

图4 温差为5℃时结构应力图

Fi.4 Stressdiaramofthestructurewhenthetemeraturedifferenceis5℃ggp

墩全截面受压,最大压应力为8.0MPa.C40、C55在这2种情况下,施加顶推力时结构主梁、MPa.

主墩均受压,且没超过设计值,计算的理论顶推力混凝土的轴心抗压强度设计值分别为18.4、24.4

,图4中,主梁的最大压应力为1主1.3MPa

满足工程要求.

结构位移计算结果如1000、1700kN的顶推力.

图5所示.

当Δ在次中跨、中跨分别施加t取5℃时,

图5 温差为5℃时结构位移图

Fi.5 Structuraldislacementdiaramwhenthetemeraturedifferenceis5℃gpgp

13#~17#墩墩顶的水平位移分别为27.0、6.8、

满足结构要求.2.8、-8.4、-20.5mm,

图5中,施加顶推力成桥收缩徐变10a后,

结构应力计算结果如1150、1900kN的顶推力.

图6所示.

当Δ在次中跨、中跨分别施加t取10℃时,

图6 温差为10℃时结构应力图

Fi.6 Stressdiaramofthestructurewhenthetemeraturedifferenceis10℃ggp

墩全截面受压,最大压应力为8.施加顶推7MPa.力时结构主梁、主墩均受压,且没超过设计值,计算的理论顶推力满足工程要求.

当Δ在次中跨、中跨分别施加t取10℃时,图7中,施加顶推力成桥收缩徐变10a后,

,图6中,主梁的最大压应力为1主1.3MPa

结构应力计算结果如1300、2100kN的顶推力,

图8所示.

墩全截面受压,最大压应力为9.施加顶推4MPa.力时结构主梁、主墩均受压,且没超过设计值,计算的理论顶推力满足工程要求.

当Δ在次中跨、中跨分别施加t取15℃时,,图8中,主梁的最大压应力为1主1.3MPa

满足结构要求.-2.8、-5.2、-6.5mm,

当Δ在次中跨、中跨分别施加t取15℃时,

结构位移计算结果如1150、1900kN的顶推力.

图7所示.

13#~17#墩墩顶的水平位移分别为14.7、3.9、

324沈阳大学学报(自然科学版) 第30卷

图9所示.

结构位移计算结果如1300、2100kN的顶推力,

图7 温差为10℃时结构位移图

Fi.7 Structuraldislacementdiaramwhenthetemeraturedifferenceis10℃gpgp

图8 温差为15℃时结构应力图Fi.8 Stressdiaramofthestructurewhenthetemeraturedifferenceis15℃ggp

图9 温差为15℃时结构位移图Fi.9 Structuraldislacementdiaramwhenthetemeraturedifferenceis15℃gpgp

5 结 论

13#~17#墩墩顶的水平位移分别为2.5、0.9、

满足结构要求.-2.8、-1.9、7.7mm,()本文基于消除墩顶水平位移的思路,考1

虑了结构体系转换、长期载荷作用下混凝土收缩徐变及实际合龙温度与设计合龙温度的合龙温差等因素,推导了多跨连续刚构桥梁一次性合龙的顶推力理式,并进行了工程实例验证,为今后多跨连续刚构桥梁一次性合龙时顶推力的选取提供了参考.

()经计算分析,合龙时顶推力的大小与合2

龙温差有关,本文给出在温差为5、10、15℃合龙在次中跨、中跨宜分别施加1000和1700kN的

图9中,施加顶推力成桥收缩徐变10a后,中跨宜分别施加11在温50和1900kN顶推力;差为1在次中跨、中跨宜分别5℃一次性合龙时,施加1300和1900kN顶推力.

()因仿真分析和结构的实际受力情况存在3

一定的差异,施工时应以墩顶的水平位移和墩底的拉应力做为目标控制量,顶推力的实际取值应根据结构现场监测的实际情况,在计算的顶推力基础上进行调整.

()本文的计算分析在各墩墩顶同时顶推,4

同时焊接锁定劲性钢筋骨架工艺的条件下进行.

参考文献:

[]陈恒大.连续刚构桥合龙顶推力的研究[长安大1D].西安:

CHENHD.TheResearchofclosurejackinforceofg-,Universit2013.y学,2013.

时的顶推力推荐值,在温差为5℃一次性合龙时,顶推力;在温差为1在次中跨、0℃一次性合龙时,

continuousriidframebride[D].Xi’an:Chan’anggg[]武鸿玉,]邹威.多跨连续刚构桥合理合龙顺序分析[2J.湖

第4期 马玉荣等:基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力

,():南理工学院学报(自然科学版)2014,2618487.WUHY,ZOUW.Analsisonmultisancontinuousriidypg-,():WuhanUniversit2017,501114119.y

325

]continuousriidframebride[J.EnineerinournalofggggJ[]殷任宏,]安平和,冯伟琼.多跨连续刚构桥合龙顺序[5J.沈

YINRH,ANPH,FENGWQ.Studnclosureschemeyo[],J.JournalofShenanniversitNaturalScience)ygUy(,():阳大学学报(自然科学版)2017,2915861.

]framebridereasonableclosureseuences[J.Journalofgq),():Sciences2014,2618487.

HunanInstituteofScienceandTechnoloNaturalgy(

[]吴茂洲.多跨预应力混凝土连续刚构桥梁合龙方案研究3

[重庆交通大学,D].重庆:2014.

WUMZ.Studnthecontinuousriidframebrideofyogg

ofsixsancontinuousriidframecomositegirderbridepgpg-():2017,2915861.

[]陈恒大,邬晓光,姚丝思,等.连续刚构桥梁跨中成桥预拱4

119.

,Choniniaotonniversit2014.gqgJgUy

:multisanprestressedconcretebride[D].Choninpggqg-[]黄叙钦,李艺林,安平和,等.大跨径连续刚构桥混凝土合6

():3233237.

],理加载龄期[自然科学版)J.沈阳大学学报(2017,29

],:度估算公式[工学版)J.武汉大学学报(2017,50(1)114

ofprecamberincomletedbridestaeatmidsanofpggp--

,CHENHD,WUXG,YAOSSetal.Estimationformula

]oflonsancontinuousriidframebride[J.Journalofgpgg-),:ShenanniversitNaturalScience2017,29(3)233ygUy(237.

HUANGXQ,LIYL,ANPH,etal.Rationalloadinegag

Multi-SanContinuousRiidFrameBrideJackinorceBasedonapgggF

Sinle-TimeHea-TeMethodgpyp

123

,MaYuronChenHaiboLuGaienChenHenda4g,yfg,g:,AbstractInordertosolvetheackinorceofmultisancontinuousriidframebridebasedonajgfpgg-,multisancontinuousriidframebridethefinalclosurejackinorcetheorormulawasderivedpgggfyf

underthedifferenttemeraturecondition.Theenineerinnstancewasselectedandthefinitepggielementmodelwasverified.Continuousriidframebrideackinorcebasedonaonetimeoininggjgfjg-closurewasstudiedinsstem.y

:b;;;Keordsrideenineerincontinuousriidframeonetimeoininlosureackinorceggggjgcjgfyw-

,)ConstructionGrouXi’an710075,Chinap

(,H;2.,1.AnhuiXinhuaUniversitefei230088,ChinaJiansuJiaotonransortationDesinInstituteCo.LtdyggTpg

;,H;Nanin10002,China3.AnhuiJianzhuUniversitefei230601,China4.ShaanxiProvincialLandEnineerinjg2ygg

【责任编辑:赵 炬,李 艳】