预应力混凝土桥梁合龙顶推施工控制技术研究

蔡梦贤,詹俊垚

（江西交通投资集团有限责任公司景德镇管理中心婺源养护所,江西 婺源 333200）

0 引言

连续刚构预应力混凝土桥梁因其优异的受力特性和成熟的工艺技术，业已成为当代高速公路路桥应用越来越多的桥型之一。但也必须看到，该桥型存在不足。比如悬臂施工中成建段线型在后续施工中难以调整；由于混凝土收缩徐变和整体降温等原因，成桥后边跨墩顶会发生向跨中方向的偏移，导致墩身发生较大弯矩，主梁产生较大附加内力，影响结构应力状态；合龙顶推施工控制要求高，一旦控制不当，工程线型和结构系统状态会面临质量风险，甚至导致严重施工事故。案例工程细致设计和执行连续刚构桥的合龙顶推工艺，这里结合工程应用，梳理介绍所应用的合龙顶推工艺、主要顶推控制项的确定原则、合龙施工的顶推力计算过程及结果，希望对同类桥梁合龙顶推控制应用能够提供技术参考。

1 案例简介

华中某高速公路上的一座连续刚构预应力混凝土路桥，主桥宽28.50 m，双向四车道，城市A 级载荷，设计速度40.00 km/h，主桥上部采取（67+103+50）m 的3 跨双薄壁刚构箱体体梁结构。箱体顶板厚度为0.28 m，宽度为13.75 m，边缘双向设置2.00%的横坡；底板宽度为13.50 m，横桥向保持水平，厚度按照2 次抛物线由跨中0.30 m 变化至距离主墩中心3.75 m 位置的0.80 m。箱梁根部的梁高为6.50 m，跨中梁高为2.50 m，整个箱梁高也呈2 次抛物线规律变化。腹板厚度按照折线变化，0#块为0.90 m，9~15#块0.45 m，边跨的现浇段0.76 m，其中0~9#块区域内由0.90 m 按直线渐变至0.45 m，15#块~边跨的合龙段区域内，由0.45 m按直线逐变至0.76 m。

主墩P9 采取群桩基础，由17 根径值1.50 m 的钻孔注灌桩构成。边墩墩顶分别连接引桥和主桥，采用牛腿式结构；墩底接连承台并下接灌注桩基础。边墩基础均由直径为1.20 m 的群桩构成。主桥箱梁由垂向、横向和纵向预应力钢束构成三向预应力体系。其中纵向预应力钢束分别包括中跨合龙束、边跨合龙束、腹板预应力束、中跨底板预应力束、边跨底板预应力束和顶板预应力束。预应力筋采用低松弛高强预应力钢绞线。桥面板的横向预应力采取扁锚BM15-3 体系，采取交替单端张拉方式，张拉应力按0.72fpk=1 339 MPa 控制。横梁预应力和竖向预应力采取精轧JL25 螺纹钢筋，Ep=200 000 MPa，fpk=785 MPa，控制张拉应力设计为0.85fpk，单根的张拉力设计为327.60 kN。主墩主要施工操作阶段如表1 所示[1]：

表1 主墩主要施工操作阶段

2 连续刚构桥的合龙顶推工艺

2.1 顶推操作工艺

为达到预期顶推功效，操作过程一定要加强顶推机构、顶推力大小和顶推时机3 个因素控制。一般多采取千斤顶进行顶推力的施加，施工过程中因为规格或行程制约，千斤顶难于直接作用于梁构，此时须适当配置传力机构；顶推操作时要综合参考环境温度、箱梁所受载荷等因素；顶推力适当是保证墩顶偏移量符合设计标准的必要条件。完成顶推作业后，临时锁定骨架要及时给予固定，合龙段浇注操作完毕并且达到规定强度后方可拆卸临时锁定骨架，此时顶推转化为结构内向应力。顶推机构的配备位置分为两类：第1 类为腹板内，一般千斤顶配置在合龙口内进行施力；第2 类为传力杆构件位置，一般预设在合龙口一侧的悬臂上，千斤顶配置于主梁底板或顶板上施力。

传力杆配置在不同位置所需克服的问题各有不同。若传力杆处于合龙口内，顶推力可直接作用于截面形心，便于进行千斤顶操作。但是该位置可能与预应力管道互相干扰，影响浇筑速度。若传力杆置于体外，则施工工序简单，且无需预埋杆件。但主梁骨架与传力杆的连接焊缝可能产生偏心，导致受力不均。

选择顶推时机也相当关键，需要结合环境温度、梁段承受的载荷状态进行选择。应选择最低梁体温度的顶推时机，这样可以防止合龙后因为降温抵消部分顶推位移。顶推操作前，要完成合龙段钢筋、模板的绑扎操作，以缩短浇筑操作时间。顶推力是否适当也是保障如期完成顶推作业的重要技术项。太小的顶推力，则改善结构的受力效果不明显；太大的顶推力，则会使桥墩发生过量偏移甚至开裂。需要综合考虑桥墩的刚度和墩顶支座的摩擦力，来确定适当的顶推力[2]。

2.2 合龙段刚性骨架

刚性骨架配置形式可分为体内配置和体外配置2类。刚性骨架配置在梁体以内时，应预设并与梁内主筋焊接牢固。因为主梁腹板存在厚度限制，所以刚性骨架截面规格要符合适应性要求。要保证预设位置与垂向预应力管道不存在互相妨碍影响，避免上下杆构件或斜杆配置不方便，不当配置会导致剪切力传导能力的削弱，也不利于结构整体性能的实现。而当刚性骨架配置在梁体外侧时，可以通过预埋钢板实现与梁体底板和顶板的连接。体外刚性骨架能够规避体内骨架所存在的工作截面和预应力管道配置受限等问题。但体外配置不利于顶推力直接作用于顶推截面形心，为改善和保证骨架的传力性能，体外骨架可在架杆件之间适当配置水平向或竖向支撑架。

3 主要顶推控制项的确定原则

3.1 选取顶推控制参数

理论上，结构的应力变化与结构的变形应该是同步的。然而在进行顶推操作过程中，由于材料和相关影响因素的影响，应力应变很难始终保持与理论计算结果一致。顶推施工阶段，主要依据形变控制指标，如悬臂梁端和桥墩顶面的水平位移，来控制顶推过程，同时以力学指标，例如施加的顶推力，进行校核控制。

3.2 顶推移动量的确定原则

顶推移动量主要由3 部分位移量构成，即成桥变形、温度影响形变和混凝土收缩徐变的形变值。在确定实际顶推移动量时，还需要考虑以下2 个因素：

（1）由于有限元模型与实际施工状态存在差异，在计算混凝土长期收缩引发的纵向水平移位时，只选取理论计算结果的70%。此外，在有限元模型中模拟边墩支座时，采用了一般的弹性支承，只约束了主梁垂向移位，而实际工程中边墩支撑座存在一定的水平摩阻力。

（2）将顶推操作分为2 个阶段，第一阶段是顶推作业至成桥阶段。此阶段的时间不会太长，成桥前结构累积的位移量和温度差引发的移位量都可以通过顶推给予抵消。第二阶段是成桥至混凝土徐变收缩基本稳定。因为收缩徐变是逐渐发生的过程，时间比较长，如果要完全通过顶推来抵消其所致的位移量，会积累过大的位移量，对梁的承载力不利。因此工程上多采取只预推顶60%的收缩徐变量。顶推移动量计算公式[3]：

式中，Δ——顶推移动量；δ成桥阶段——成桥阶段的墩顶移位量；δ温度效应——温度影响下的墩顶移位量；δ长期收缩徐变——收缩徐变长期作用下的墩顶移位量。

3.3 顶推力的确定方法

多跨连续刚构桥的施工过程通常是先合并两端跨度，再合并中间跨度。顶推力算法基于有限元法。主梁通常采取变截面设计，其截面的几何参数也可能各不相同，同时多采取高次超静定结构，人工计算繁琐且耗时。随着计算机技术的发展，现如今已有多款专业桥梁计算软件问世，在桥梁有限元模拟计算中，可以通过施加理论顶推力来计算实际顶推力。计算公式如下：

式中，Δi——节点i的质量；δi——节点i的纵向水平位移量。

由于有限元模拟计算方法的计算速度快、准确度高、工程应用简单，所以工程中多采用该方法进行顶推力计算。

3.4 确定顶推点与顶推方向

连续刚构桥常采用变截面主梁，以利于减小自重和增加跨径。主梁截面形状多为曲线，类似于上弦拱形态。在施加水平顶推力时，会在梁截面发生向上弯矩，影响桥梁的受力和线形，应尽量给予控制直至避免。顶推应遵循以下原则：①保证顶推点在断面形心区域；②顶推力方向与梁断面形心线的切线方向保持一致。

4 中跨合龙施工的顶推力计算

4.1 顶推位移量的确定

为了得到合理的顶推移位量，就需要计算获得成桥阶段的墩顶偏位（如表2 所示）、成桥10 年后的墩顶偏位量（如表3 所示）以及温度影响下的墩顶偏位（如表4所示）。现场施工中，合龙温度一般很难与设计合龙温度完全一致。实际合龙温度太高会影响顶推功效。这里按实际合龙温度较比设计合龙温度分别高10 ℃和15 ℃的温度工况进行顶推位移量计算，如表5 所示[4]。

表2 成桥阶段的墩顶水平位移量

表3 基于长期收缩徐变的墩顶水平位移

表4 降温10 ℃、15 ℃工况时的墩顶水平位移

表5 降温10 ℃、15 ℃工况时的顶推移动量

结合表2~4 中数据，根据公式（1）计算获得的顶推移动量见表5 所示：

4.2 顶推力的确定

采用有限元模拟方法，计算模拟的各个顶推位置分别施加顶推力100 kN 后，墩顶所发生的水平向位移，并将结果列于表6 中。

表6 施加顶推力100 kN 的墩顶水平向位移 /mm

结合表6 数据，根据公式（1）计算获得的不同温度条件下的顶推力见表7 所示：

表7 合龙各温度下的顶推力 /kN

由于节点74#和77#均为P8#墩顶的节点，节点82#和84#均为P9#墩顶的节点，所以实际顶推取值则应为下式所示：

则基于上述取值原则的各合龙温度下经计算获得的所需顶推力，如表8 所示：

表8 各合龙温度经计算获得的所需顶推力 /kN

案例工程基于计算所得的顶推力开展中跨合龙顶推施工操作，圆满完成了施工建设任务。该分析计算方法可为同类其他工程进行合龙顶推控制参数分析计算提供技术参考。

5 结语

结合工程案例，该文进行了连续刚构预应力混凝土桥梁中跨合龙的顶推控制技术研究。文中介绍了连续刚构桥的合龙顶推工艺及刚性骨架应用；介绍了主要顶推控制项的确定原则，包括顶推控制参数选取、顶推移动量的确定、顶推力的确定、顶推点与顶推方向的确定等内容；介绍了案例工程中跨合龙施工的顶推力计算过程及结果。顶推移动量主要由成桥变形、温度影响形变、混凝土收缩徐变的形变值、不同阶段的理论值的引入量等部分构成。案例工程将顶推操作分为2 个阶段：第一阶段是顶推作业至成桥阶段；第二阶段是成桥至混凝土徐变收缩基本稳定。文中介绍了案例工程顶推作业至成桥阶段（即第一阶段）的合拢顶推移位和所需顶推力的计算成果，可为同类工程分析计算提供参考。