大跨径连续刚构桥不同合龙方案顶推力优化研究.docx

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大跨径连续刚构桥不同合龙方案顶推力优化研究

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摘要：近年来，随着国家经济的发展，我国建成了相当多的大跨径连续预应力刚构桥[1]-[4]。连续刚构桥因具有结构受力性能好、刚度大、伸缩缝少、行车舒适、悬臂施工成熟等特点，得到了广泛的应用。合龙方案的选取是连续刚构桥设计施工的关键环节。本文通过借助Midas桥梁软件对某三跨连续刚构桥进行预顶工艺必要性研究，然后提出顶推力优化计算的影响矩阵法，并将影响矩阵法与最小二乘法相结合，采用MATLAB,计算出能使结构受力最为合理的顶推力方案，为同类多孔连续刚构桥梁的合龙技术提供了参考。

关键词：连续刚构桥；悬臂施工；合龙方案；顶推力

0引言

大跨度连续刚构桥梁结构的分段施工一般要经历一个长期而又复杂的施工过程，多跨连续刚构桥的施工，还将经过几次结构体系转换的过程，随着施工阶段的推进，桥梁的结构形式和荷载作用方式等都在不断发生变化。目前，连续刚构桥比较成熟的施工技术一般按“对称悬臂浇筑→边跨合龙→中跨合龙”的顺序施工，由于成桥需经历一个长期而复杂的结构体系转换过程，而且，对于多跨布置的连续刚构桥梁，这种成桥顺序需要的工期长，施工成本大。

所以，合龙施工是连续刚构桥建造过程的关键阶段，选择合理的合龙方案，既保证结构受力性能达到逼近合理状态，又兼顾施工工期与资源配置，是合龙分析的第一步，也是极其重要的一步。

而无论是采取何种合龙施工方案，这都要求我们应对合龙施工采取必要的措施。一方面，在构造措施上，一般采取临时锁定的措施：①在合龙处以劲性钢管代替预应力波纹管道，合龙施工前，先张拉钢管中的临时预应力束来达到刚性连接效果；②在合龙段两端相邻梁体预埋钢板，合龙施工前用型钢或砼压柱顶在预埋钢板上，张拉临时预应力束，达到刚性连接效果。另一方面，为了保证合龙前后结构体系顺利转变，可以用施加水平顶推力、配重及温度、线形及预应力张拉控制的方法，确保影响最终成桥线型。

1顶推力的基本原理和方法

合龙段为连续刚构桥的体系转换过程，也是刚构桥施工的关键工序，通常可采取逐跨合龙或者同时合龙，两种合龙方式在成桥时都会对墩顶产生明显的水平位移。对于连续刚构桥，工程上可采用在合龙段的刚性支撑固结前对合龙段梁端施加水平顶推力的预顶工艺来达到使墩顶预偏的目的，以部分抵消由于底板预应力束张拉、后期混凝土收缩徐变以及温度效应等因素引起的水平位移对墩顶的影响，使主梁及桥墩处于更好的受力和线形状态。在此就存在顶推力的优化计算问题，顶推力太大或太小都不能使结构处于最合理状态，因此必然存在这样一组顶推力，它能使连续刚构桥成桥后的线形和受力逼近合理状态。

关于顶推力的计算问题，一般文献介绍的都相对比较简单，没有进行系统论述，更没有进行优化。因此本文在参考相关文献基础上，介绍了顶推力优化计算的影响矩阵法[5]-[9]。

1.1控制方程

假设连续刚构桥受力处于线弹性状态，则可建立如下的线性方程组：

（1.1）

式中：为待求的顶推力调整量；

为成桥状态控制目标需调整的量；

为顶推力调整对控制目标的影响矩阵。

如果式(1.1)中的未知量个数与方程个数相等且影响矩阵非奇异，则该方程组有唯一解。但这样得到的结果往往顾此失彼，虽然指定的控制目标准确满足了要求，但由于待调整的顶推力数量有限，可能导致未被指定的成桥状态物理量出现异常。因此，必须增加控制目标数，可以把所有起控制作用的物理量均作为控制目标，使方程组(1.1)成为一个矛盾方程组。

1.2最小二乘法

在式(1.1)的控制目标中加入各种可能起控制作用的物理量，使该方程组的方程个数大大超过顶推力数，从而成为一矛盾方程组，可求其广义解(即最小二乘解)，其原理为求，使

(1.2)

为最小。其中m,n分别为和时的元素个数。根据极值原理，满足最小的必须:

,()(1.3)

或者

(1.4)

上式可写成矩阵形式为：(1.5)

上式是n个未知量n个方程的线性方程组。可以证明当满秩时，上式有唯一解。由上式解出后，即可得到调整后的控制目标值:

(1.6)

其中为控制目标在调整前的值。

2顶推力的优化

2.1优化计算模型的建立

对于连续刚构桥，控制目标通常可取为主梁和主墩的位移、弯矩、应力等。合龙段施工时施加水平顶推力对主梁受力影响较小，但对主墩的墩顶水平位移和受力却影响极大，施加水平顶推力其实质就是为了部分抵消由于底板预应力束张拉、后期混凝土收缩徐变以及降温效应等因素引起的水平位移对墩顶的影响，改善桥墩受力，从而改善结构受力。因此，本文主要是以主墩的墩顶水平位移和应力为控制目标。为计算方便，模型取墩顶水平位移为控制目标，水平顶推力为控制变量，主墩控制截面应力为约束条件。

2.2成桥