刚构-连续体系波形钢腹板PC箱梁桥合龙顺序研究

王 彬

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

波形钢腹板PC（预应力混凝土）箱梁是20世纪80年代最先在法国出现的一种新的桥梁型式，其主要优点是结构自重轻，减少下部结构工程量；作为箱梁腹板的波形钢板有不抵抗纵向轴力的特点，使预应力能够有效施加于混凝土顶底板，极大提高预应力的作用效率，缩短施工工期[1]。刚构-连续体系组合梁桥是连续刚构与连续梁桥的结合体，具有行车舒适、减少大吨位支座的数量及下部结构工程规模、改善温度及混凝土收缩徐变对桥墩及墩顶负弯矩的影响等优点[2-3]。正因为多跨刚构-连续组合体系的波形钢腹板PC箱梁桥具有如此优越的结构受力和施工性能，所以在大跨径的桥梁设计、施工及运营管理中具有较强竞争力。

该类型桥梁大多采用悬臂现浇（拼装）施工方法，在施工过程中张拉合龙钢束会对相邻桥跨的内力分布产生影响，多跨桥梁采用不同的合龙顺序可以得到不同的成桥内力状态[4]。尽管目前已有很多文献对刚构-连续组合体系PC箱梁桥的合龙顺序作了一定的研究[5-7]，但对刚构-连续组合体系钢腹板PC箱梁桥的合龙顺序研究甚少，尤其考虑施工过程中整体温度变化对合龙顺序的影响更少。施工过程中，不同的施工状态下整体温差对桥梁，尤其是桥墩的影响最大，本文通过对运宝黄河大桥副桥合龙顺序进行计算分析，探讨该类桥型的合理施工顺序的确定方法。

1 工程概况

山西运宝黄河大桥是连接山西呼北高速公路与河南三门峡至淅川高速公路晋豫省界的一座特大型桥梁，在山西省运城市柳湾村附近跨越黄河进入河南，运宝黄河大桥全长1 690 m，其中副桥全长906 m，采用跨径为（48+9×90+48）m刚构-连续组合体系波形钢腹板PC箱梁桥，桥型布置如图1所示。单幅桥梁横断面采用单箱单室断面，腹板采用波形钢腹板，箱梁顶面宽15.5 m，底宽8.5 m，翼缘宽度为3.5 m；箱梁根部高度为5.5 m，跨中高度为2.7 m，梁高按1.8次抛物线变化；顶板厚度为0.32 m，在腹板梗腋处加厚至0.7 m；底板厚度由0.3 m渐变至0.8 m，底板厚度按1.8次抛物线变化；波形钢腹板采用1600型，板厚分别为16 mm及14 mm。下部结构F4～F7主墩为固结墩，采用双薄壁实体墩，F1～F3、F8～F10连续主墩及F11为过渡墩均采用等截面空心墩[8-9]。

运宝黄河大桥采用的技术参数：

a）公路等级 六车道高速公路；

b）设计行车速度 80 km/h；

c）汽车荷载等级 公路-Ⅰ级；

d）桥面净宽 2×净14.5 m；

e）设计洪水频率 1/300；

f）设计水位 采用三门峡库区防洪运用水位333.808 m；

g）地震动峰值加速度 0.182g。

图1 运宝黄河大桥副桥桥型布置示意图（单位：cm）

2 模型建立

为了研究合龙顺序对多跨刚构-连续组合体系波形钢腹板PC箱梁桥成桥受力状态的影响，本文采用midas civil有限元分析软件建立该桥整体杆系分析元模型，见图2，其中桥墩及钢腹板PC箱梁均以梁单元模拟，其中波形钢腹板截面采用midas civil有限元软件自带的“钢腹板箱梁”截面特性进行模型。全桥梁单元共计506个，其中主梁304个，混凝土标号采用C55，桥墩9个，双薄壁刚构墩墩身采用C40，薄壁空心墩墩身采用C35。固结端采用刚臂模拟墩梁固结，墩梁间的支座采用弹性连接模拟，桥墩底均按照固结处理。

图2 运宝黄河大桥副桥杆系单元模型示意图

计算参数选择：

a）结构自重 按实际材料容重的1.05倍计算。

b）二期恒载 防撞护栏+调平层+沥青混凝土铺装层共计为96.05 kN/m。

c）施工过程挂篮、机具、人员等 本桥挂篮独自设计，重量按照实际重量取为65 t/套。

d）预应力 采用strand 1860钢绞线，松弛系数为0.3，管道摩擦系数为0.17，管道偏差系数为0.001 5（1/m），体内、外预应力锚下张拉控制应力分别为1 395 MPa和 1 116 MPa。

e）锚具 锚具变形，钢筋回缩按6 mm（一端）计算。

f）不均匀沉降 墩底沉降值取5 mm。

温度荷载、收缩徐变、风荷载及活载等均按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）取值。

3 计算分析

3.1 主跨刚度分布状态

刚构-连续体系波形钢腹板PC箱梁桥在活载作用下主梁的挠度和应力见图3、图4。在活载作用下，刚构跨跨中主梁的最大挠度为-29.7 mm（向下），跨中底板最大拉应力为3.5 MPa；而连续跨的主梁最大挠度为-41.8 mm（向下），跨中底板最大拉应力为5.0 MPa。可以看出连续跨的挠度是刚构跨的1.41倍，底板拉应力是刚构跨的1.43倍，说明成桥后固结墩对主梁转动约束能力较大。

图3 活载作用下主梁最大挠度

图4 活载作用下主梁下缘最大拉应力

原设计合龙思路：对于多跨长联的刚构-连续体系PC箱梁，当张拉某跨合龙束时，其钢束二次效应会在相邻桥跨的底板产生拉应力，利用结构这一特性，合龙顺序可以考虑先合龙底板压应力储备需求小的桥跨，然后再合龙需求大的桥跨，后合龙的桥跨底板压应力大于先合龙的桥跨，从而使运营阶段的刚构-连续体系各跨底板应力较为均匀[2]。遵循这样的原则，运宝黄河大桥副桥的合龙顺序为：先合龙刚度较大的刚构跨，最后合龙刚度较小的连续跨。从图3、图4可以看出：连续跨第2、第4、第8、第10刚度相对较大；刚构跨第6跨相对较大。

3.2 原设计合龙顺序

本桥施工方法为对称悬臂拼装，原设计全桥分4次合龙，根据参考文献[3]及图3、图4，全桥合龙顺序如图5所示。合龙后主梁底板混凝土压应力分布见图6，短期组合下底板应力分布见图7。

图5 原设计合龙顺序示意图

图6 （原设计）合龙后主梁下缘应力分布示意图（单位：MPa）

由图6、图7可见，仅考虑成桥后整体温度变化的影响时，刚构-连续体系波形钢腹板组合梁无论合龙后还是成桥运营连续跨和刚构跨应力均较均匀，满足设计规范要求。说明仅考虑成桥后整体温度变化的影响时，根据各跨刚度的不同区分各跨的合龙顺序是可行的，文献[2]也适用于刚构-连续体系波形钢腹板组合梁桥。

图8 （原设计）均匀温升桥墩底部拉应力分布

图9 （原设计）均匀温降桥墩底部压应力分布

当考虑施工过程中整体温度变化的影响时，在第四次合龙后，此时全桥刚度最大，合龙前后温差对边墩F1～F3（临时固结状态）的影响最大。墩F1～F5在第三次合龙后，考虑到桥位地处山西运城黄河河滩，昼夜温差较大，本文考虑该桥整体温差在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃状态下，墩低截面边缘应力分布如图8、图9所示。

3.3 合龙顺序的优化

基于原设计合龙方案无论在合龙后还是成桥运营连续跨和刚构跨应力均较均匀，满足设计规范要求，故第一次和第二次合龙顺序不变。考虑施工过程中均匀温差对边墩的影响，尤其是多跨、长联、墩矮的结构体系，降低施工过程中桥梁的整体刚度是有效解决温差对边墩影响的有效途径之一。

结合运宝黄河大桥副桥的结构特点，先合龙边跨，然后释放边墩的临时约束，降低边跨刚度，全桥合龙顺序优化方案见图10所示。合龙后主梁底板压应力分布见图11，短期组合下主梁底板压应力分布见图12。

图10 优化后合龙顺序示意图

图11 （优化后）合龙后主梁下缘应力分布示意图（单位：MPa）

图12 （优化后）短期效应组合主梁下缘应力分布示意图（单位：MPa）

当考虑施工过程中整体温度变化的影响时，在第三次合龙后，此时全桥刚度变化最大，考虑该桥整体温差在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃状态下，墩低截面边缘应力分布如图13、图14所示。

图13 （优化后）均匀温升桥墩底部拉应力分布

图14 （优化后）均匀温降桥墩底部压应力分布

3.4 两种不同合龙顺序的对比

从图6与图11，图7与图12对比可以看出两种不同合龙顺序下，当不考虑施工过程中整体升降温温差的影响时，合龙后主梁及成桥运营时主梁的应力状态差别很小，连续跨及刚构跨跨中应力储备基本一致，应力水平较均匀，整个主梁的底缘应力均达到了较好的水平，满足规范要求。

从图8与图13，图9与图14对比可以看出考虑施工阶段整体温差变化的影响，优化后边墩的温度应力变化最显著。温差变化20℃时，F1墩由10.8 MPa降低到3.1 MPa，减少了71.3%；F2墩由8.6 MPa降低到 0.4 MPa，减少了 95.3%；F3墩由5.4 MPa降低到2.9 MPa，减少了46.3%。优化后的合龙顺序在施工阶段显著降低温度变化的影响，优先释放连续墩的临时约束降低组合梁对墩的约束能力。

4 结论

a）多跨刚构-连续组合体系波形钢腹板PC箱梁各桥跨竖向刚度差异较大，在相同的荷载作用下，各跨的应力及挠度各不相同，可以通过优化合龙顺序来调节主梁各跨应力状态，使之满足设计规范要求。

b）施工阶段的整体温差对多跨刚构-连续组合体系的波形钢腹板PC箱梁桥的受力状态，尤其是桥墩底部影响最大，对于该类型的桥梁合龙顺序应该考虑施工阶段整体温差的影响。

c）考虑到施工阶段整体温差的影响，较为合理的合龙顺序应该是：先合龙连续跨、刚构跨中刚度较大跨；再合龙连续跨；释放连续跨墩临时约束；然后全桥合龙。

d）针对不同桥型可以考虑多种合龙顺序，对成桥和施工阶段温度变化引起的内力进行比较，以期达到更好的效果。