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预应力混凝土连续刚构桥支座预偏量分析

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预应力混凝土连续刚构桥支座预偏量分析 吴建军 .蒋 莹 (1.江西公路开发总公司,江西(2.南昌市公路管理局,江西南昌南昌330038) 330006) 摘要:本文以某连续刚构桥的工程实例为基础,利用有限元结构分析软件MIDAS/Civil建立结 构模型.模拟全桥施工过程 分析了支座预偏量设置原理与连续刚构桥梁结构在边跨现浇段浇 注,边跨合拢段浇注、张拉,中跨合拢项推,中跨合拢段浇注、张拉,全桥二期铺装,运营阶段收缩 徐变和合拢温差这些工况下对边跨支座位移的影响情况。以此作为该桥合理支座预偏量的设置 依据。从而达到了改变支座偏心受力的目的,提高了边跨支座的耐久性。 关键词:桥梁_T-程;连续刚构桥;有限元;支座;预偏量;收缩徐变 室直腹板箱梁,箱梁顶板宽12m,底板宽6.6m。悬臂 U 刖 罱 长度是2.7m:0号块顶、底板厚度均为lOOcm,腹板 近年来。随着我国交通事业的蒸蒸日上,尤其 是在高速公路项目上,预应力混凝土连续刚构桥因 具有跨越能力大、结构轻盈美观、结构整体性能好、 桥面连续、行车舒适等特点而得到广泛运用。然而 一厚100cm;其他梁段顶板厚28cm.底板厚度从根部 lOOcm按照1.8次抛物线变化至跨中30em。其中1 号块至8号块腹板厚70cm,10号块至15号块腹板 厚50cm,9号块为腹板过渡段,箱梁顶板按3%横 些桥梁病害问题也出现了,桥梁支座病害就是其 坡斜置,满足桥面横坡要求。主梁采用全预应力结 构,设有纵、横、竖三向预应力。纵、横向预应力采用 高强低松弛钢绞线,纵向预应力采用圆锚,横向预 中之一。由于连续刚构桥梁支座损坏后更换困难, 可行性不高。因此分析连续刚构桥梁支座产生位移 原因,合理设置支座预偏量,改变支座偏心受力,提 高支座耐久性是非常有必要的。 应力采用扁锚;竖向预应力采用精轧螺纹粗钢筋. 布置在腹板。上部结构各单“T”除0号块外划分为 l4对梁段,其中0号块共长12m,在墩顶托架上现 浇施工,1至10号块长3.5m,11至14号块长4m: 活动支座位移量指桥梁施工结束直到桥梁运 营一段时间预应力及收缩徐变稳定后,活动支座的 上支座板偏移支座理论中心线的位移,主要分为三 部分:桥梁施工阶段产生的位移量△ ;成桥后运营 阶段直至收缩徐变稳定时产生的位移量△ ;由于边 边、中跨合拢段长度均为2.0m,见图1。 跨合拢温差照成体系温度变化引起的位移量△ 。故 活动支座位移量为△。+△ +△,。因活动支座的预设 偏移量是抵消各墩活动支座产生的纵向水平位移 量,故支座预设偏移量与支座位移量相反,即支座 预设偏移量为A=一(△ +A2+A 3)。 1 工程概况 某桥上部结构为f62+1 16+62)m预应力混凝土 连续刚构,箱梁根部梁高7m,跨中及端部梁高为 图1某桥立面图 2.8m,梁高按照1.8次抛物线变化;横断面为单箱单 作者简介:吴建军(1983一),男,江西上饶人,主要从事公路工程建设管理与施工工作。 ・33・ 3支座位移 3.1 施工阶段产生支座位移 连续刚构桥采用的施工方法一般是悬臂对称 浇注标准节段,然后浇注边跨现浇段混凝土,接着 先边跨合拢,再中跨合拢完成全桥体系转换,最后 做二期铺装。边跨现浇段浇注前安装支座,因此施 工阶段对支座位移的影响从边跨现浇段浇注开始. 直至二期铺装完成,桥梁开始运营。由于此段施工 时间持续区间不长,日间温度变化不大,所以施工 阶段对支座位移的影响不考虑温度变化。 通过模拟计算分析各施工阶段.提取出对应工 况下各支座位移。施工阶段各工况下支座位移结 果。如表1所示。 注:模型坐标系采用整体坐标系,桩号增加方 向为正。 3.1.1 中跨合拢顶推力计算分析预应力混凝土 连续刚构桥在完成体系转换后。后期混凝土收缩徐 变与降温效应相组合使两墩之间主梁有缩短的趋 势,迫使墩顶向跨中方向发生位移,墩顶、墩底产生 较大的弯矩,同时主梁受到砼纤维限制,在结构内 部产生拉应力,对结构造成危害。因此,在边跨合拢 后、中跨合拢前对中跨悬臂端部施加一个水平推 力,使桥墩产生一个预偏位来抵抗上述位移,有利 于桥梁后期受力,增加结构的安全度。 在结构有限元计算模型如(图2)中,需在最大 悬臂工况下(即中跨合拢前)对悬臂端施加纵向的 水平推力P,来消除各墩顶产生的水平偏位。 图2毛坯子大桥主桥有限元模型 ・34・ 在最大悬臂端分别施加0KN、100kN、200kN、 300kN的顶推力,两个主墩墩身对应在0#块中心的 节点(25号、71号节点)处的水平位移见表2。 表2不同顶推力作用下主墩对应节点水平位移 (单位:mm)(合龙温差为O) 0KN 4.10 -2.89 100KN -0.O1 1.04 2ooKN -4.26 5.11 300KN -8.6O 9.26 从表2中可以看出。控制截面节点的水平位移 变化基本与顶推力呈线性变化.即每增加100KN的 顶推力。8#墩对应0#块中心处水平偏位为 4.2mm,9#墩对应0#块中心处水平偏位为4.1mm。 有了上述节点位移量与顶推力的关系.即可开展顶 推力优化计算和温度影响的分析。 3.1.2收缩徐变对顶推力的影响在确定桥梁运 营一段时间后因收缩徐变影响所需的实际顶推量 时.我们需要考虑以下两个因素: (1)理论上的顶推量为长期收缩徐变后的累 积纵向水平位移,结构有限元模型是对桥梁结构理 想状态的模拟,而实际桥梁结构的边跨支座位移肯 定会受到摩阻力的影响; (2)从成桥到收缩徐变完成需要很长时间,若 预先顶推100%收缩徐变效应值,这样结构在合拢 完成后运营阶段将会带有由于顶推作用而引起的 反向过大位移,并且在这期间还有活荷载的作用, 这对运营阶段的桥墩产生很大的不利弯矩,更有可 能引起开裂。另外双薄壁墩一般采用柔性墩,设计 上原本就容许有一定的纵向位移。 根据工程经验一般只需预顶实际收缩徐变量 的60%。考虑桥梁运营l0年后,主墩对应0#块中 心处节点位移,如表3所示。 表3桥梁运营十年后对应节点水平位移 (单位imm)(未顶推,合拢温差为0) 在顶推力Pi作用下,各节点的水平位移量可 按式(1)计算: 8i=81 xPi (1) 8i=60% 81o (2) 即Pi=8_/6。 (3) 式中:8i一各节点顶推产生的水平位移; 6,.i一单位顶推力作用下各节点水平位移; Pi一顶推力; 8, 厂桥梁运营十年后节点累计水平位 移。 通过表2,表3及公式(3),可计算出: Pzs=8 ̄1—25=一21.87x0.6/0.042=-313KN; P71=871/6l-71=20.54x0.6/0.041=301KN; 中跨合拢前对两悬臂端顶推时,为了便于施 工.两个中跨合拢段的顶推力应保持相等,即l l_ P1l。因此顶推力P=(IP25I+P71)/2=307KN。 3.1.3温度对顶推力的影响现实条件下,实际合 拢温度往往与设计合拢温度有一定差值,由于桥梁 合拢后升温较降温对结构受力有利,故尽量选择低 温合拢。为了分析在设计温度合拢后降温对结构的 有利影响,计算了5个降温值对主墩对应0#块中 心节点水平位移的影响,结果见表4。 表4合拢后降温作用下对应节点水平位移(mm) 0 0 0 —1 O.58 -0.59 —2 1.16 —1.18 —3 1.74 —1.78 2_32 -2-37 -5 2.90 -2.96 由表4可以看出。温度变化与各节点水平位移 成线形比例关系,因此若合拢温度与设计温度温差 不为零,就要使各节点产生水平位移,就必须采取 预顶推的方法来消除合拢温差产生的效应。由合拢 温差产生的合拢变形需优化的顶推力为: PiAT=ATx ̄i r_}6l (4) 式中:P; 因合拢温差各节点所需调整的顶 推力(kN); △卜设计合拢温度与实际合拢温度的差值 (oC); 旷一升温或降温1℃各节点的水平位移(mm) (结构降温效应与升温效应相反); 6 一单位水平顶推力作用下各节点水平位 移。 由表4及公式(4)得出 P25 =△T×82 r.}81_zs=0.58×△T/0.042=13.8AT P71 △T×871郜÷61_71=0.59xAT/0.041=14.4AT 为方便施工.两个中跨合拢段的顶推力应保持 相等,UP IP ̄aTI=IP7l△TI,顶推力P△T=(P25△T+P71aT)/2= 14.1AT。 3.1.4最终合拢顶推力计算综合考虑到体系转 换,混凝土收缩徐变及合拢温度等影响因素,最终 顶推力计算公式为: Pi顶推 Pi±Pi△T 依照设计图纸,设计合拢温度为18。c,毛坯子 大桥主桥合拢时间暂定为28。C。因此实际合拢顶推 力为448 KN。 3.2收缩徐变产生支座位移 连续刚构桥梁成桥后,混凝土收缩徐变的影响 因素很多,包括混凝土强度、环境湿度、加载龄期、 构件理论厚度等。根据经验数据,桥梁运营10年后 混凝土收缩徐变趋于稳定。因此该桥收缩徐变对支 座位移的影响在模型中取结构运营3650天之后的 数据,见图2。 7#墩△2为25.7mm 10#墩△2为一26ram 图2某桥civil结构计算模型收缩徐变十年示意图 3.3边跨合拢温差对支座位移影响 一般设计合拢温度取桥位处最低和最高月平 均温度平均值,根据现场实际施工状况排出施工进 度计划,计算出合拢日期,得出实际计划合拢温度。 A,= ・A ・L,其中仅为主梁混凝土线膨胀系数,△ 为温差,L为计算位置至墩梁固结点的梁体长度. △,为梁体的变形。需要说明的是计算中跨合拢顶 推力时是考虑中跨合拢温差对墩顶偏位的影响.边 跨合拢温差对支座位移影响是基于边跨梁体拢龙 (下转第45页) ・35. 参考文献: 『11朗晓贵.钢纤维快硬硫铝酸盐水泥混凝土在伸缩缝维修中 不断的在高速公路养护项目中应用,这就要求养护 的应用体会fJ].科技视界,上海科普作家学会. 技术人员要通过施工成本、经验、性能等数据进行 【2】邓鳞河.高模量水泥在伸缩缝施工中的应用[J】.中国公路, 收集和统计,总结施工经验,为高速公路养护工作创 2012年12期. 造更好的经济效益和社会效益。 『31刘韬,甘四维.快干混凝土在桥伸缩缝混凝土修补中的应 用[J].建材与装饰:201 1年第7期. (上接第35页) 时在主墩位置固结约束的梁体弹性伸缩量。 大方向) 根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010) 中4.1.8条。当温度在0—100%范围内时,混凝土线 4 结 语 膨胀系数 =1.0 ̄10-5/ ̄C。 通过以上预应力连续刚构桥支座预偏量设置 依照设计图纸.设计合拢温度为l8。C,某桥实 方法原理的分析和在工程实例中的实施和验证,说 际边跨温度暂定为28。C,故A =10 ̄C。 明了合理设置支座预偏量的科学性和必要性。施工 依照设计图纸.1=61.57m,即: 阶段中中跨合拢前顶推对支座位移的影响最为明 l△3 1=OL・a,-1=1.0 ̄10  ̄10 ̄61.57=0.0062m= 显,其他施工阶段对支座预偏量的影响因不同施工 6.2mm 方法步骤和结构体系而有不同效果,具体工程中也 由于合拢温度比设计温度高,属于高温合拢, 不应忽视其影响,应根据实际情况计算相应的支座 合拢时主梁梁体会比设计的要长,当温度逐渐到达 位移。总的说来,成桥后混凝土收缩徐变对支座位 设计温度时梁体会往中跨方向缩短: 移影响最大,也是主要的考虑因素。本文对于同类 7#墩:△3=6.2mm 10#墩:A 3=一6.2mm 桥梁合理支座预偏量分析和设置,用于改善设计指 3.4支座预偏量计算 导施工具有一定参考意义。 为了改善刚构桥梁支座的偏心受力情况,在安 装支座时对其设定一定的预偏量,达到减小偏心距 参考文献: 的目的,使得支座受力更加均衡,耐久性提高。根据 【11姜京伟.连续刚构桥施工成桥阶段支座位移研究[J].北方 前文所述支座预偏量设置原理和方法,此桥支座预 交通.2013.(06):86—88. 偏量A=一(△1+A21+A 3)。 [2]张欣欣,马坤全,张俊.长联多跨客运专线连续梁桥支座预 7#墩:A=一(一6.7+25.7+6.2)=一25mm(桩号减小 偏量的研究[J].城市轨道交通研究.2010年,(10):42—47. 方向) [3]尚斌.悬臂现浇连续梁支座施工中的预偏量控制[J].四川 10#墩:A=一(6+(一26)+(一6.2))=26mm(桩号增 建材.2012,(05):76—77. (上接第41页) 的工具、钢筋、钢管等掉入孔中而造成卡钻事故,别 了施工的风险: 的方法难以处理,就只能用“捞”的办法了。 (3)混凝土配合比的合理选择是成桩质量的重 3 结 语 要保障: (4)严格控制好砼的首灌方量。对于超长桩,灌 本项目桩基的垂直度及孔径控制良好,没有发 注过程中导管的埋深宜比规范要埋深一些.宜在 生扩孔、缩径及孑L径倾斜等质量事故。根据超声波 3m~10m 检测结果,本项目582根桩基均为I类桩。为复杂地质 条件下超长桩施工,积累了宝贵的施工经验。对于 参考文献: 超长桩施工关建技术总结如下: 【1】JTG/T F50—201 1.公路桥涵施工技术规范[S】. (1)应根据不同的地质调整泥浆的指标及钻孔 f2]GB/T 25695—2010.建筑施工机械与设备旋挖钻机成孔施 工通用规程[S】. 的速度: (2)采用泥砂分离及钢筋笼工厂加工新工艺不 [3]张雄文,管义军,周建华.PHP泥浆在桥梁超长超大直径钻 孔灌注桩施工中的应用[J].岩石力学与工程学报,2005. 仅加快了施工的进度,更提高了施工的质量,降低 ・45・ 

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