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云南某连续刚构桥预拱度研究

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：何怡杰

[导读] 摘要：桥梁在运营期间出现主梁跨中下挠过大进而影响通行车辆正常行驶的问题，主要通过在修建时设有一定的预拱度来避免。

        湖南科技大学土木学院湖南湘潭 411201
        摘要：桥梁在运营期间出现主梁跨中下挠过大进而影响通行车辆正常行驶的问题，主要通过在修建时设有一定的预拱度来避免。本文以云南某连续刚构桥为工程背景，利用有限元软件建立仿真分析模型，模拟桥梁的施工及成桥状态，并结合经验公式，讨论如何合理设置预拱度，为类似桥型预拱度的确定提供参考。
        关键词：连续刚构桥；预拱度；有限元；余弦曲线分配法
        前言
        自1988年主跨180m的连续刚构洛溪大桥建成以来，我国修建的连续刚构桥数量不断增加。近年来，投入运营的桥梁跨中挠度随时间不断增加，连续刚构桥跨中下挠已经成为一种普遍现象。虎门大桥辅航道桥自1997年12月至2000年1月，大桥中跨跨中平均下挠了104mm[1]。在2003年12月，中跨跨中已经下挠223mm[2]。跨中下挠过大，给人员车辆的通行带来不适，还对桥梁本身受力产生影响，使得桥梁达不到预计的使用年限。因此，为连续刚构桥设置合理的预拱度是不可或缺的。
        1 设置预拱度的原理
        连续刚构桥的预拱度分为两个部分。一部分是为了消除施工过程中梁体下挠的施工预拱度；另一部份是为了消除后期运营过程中的收缩徐变对梁体下挠影响的成桥预拱度。
        1.1影响预拱度的因素
        连续刚构桥大多采用悬臂施工，在设置施工预拱度时，要考虑挂篮的变形、一期恒载、二期恒载、预应力、施工荷载、结构体系转换、前期收缩徐变、日照和温度变化等。
        成桥预拱度的主要影响因素是砼的收缩徐变、后期预应力损失、开裂导致结构刚度减小等。陈恒大[3]等建立不同跨径连续刚构桥有限元仿真模型，探究不同因素对桥梁中跨下挠的影响，结果表明砼收缩徐变是连续刚构桥梁体下挠的最主要影响因素。一些重要的大型结构，需要又定量的砼收缩变形值进行结构分析，有条件的应进行砼试件的短期收缩试验；对于一些重要和复杂的结构，需要作具体的徐变分析时，要求又比较准确的砼徐变值[4]。早些年，设计认为砼桥梁在成桥后三年基本完成收缩徐变，而有些桥梁成桥十年依然下挠，下挠幅度超过施工时预留的预拱度，与设计计算不符。
        1.2预拱度的计算方法
        1.2.1施工预拱度的计算
        施工预拱度通常使用有限元软件建立仿真分析模型，输入设计参数，通过正装计算、施工过程模拟、逐段叠加计算得到桥梁各阶段状态，由此得出的桥梁状态一般与实际施工的桥梁状态有差距。
        1.2.2成桥预拱度的计算
        成桥预拱度很难靠单一的有限元模型计算确定，砼的收缩徐变是一个十分复杂又难以精确计算的非线性问题。文献[5]表明，桥梁的长期变形，受砼收缩徐变模型中某些关键参数的影响，设计者应该给出的是变形值的一个范围，而不是单一数值。
        确定成桥预拱度通常的做法是在理论计算的基础上，确定跨中最大预拱度后，按某种曲线向全跨分布。根据实践，跨中最大预拱度根据经验取L/1500~L/1000左右，后续桥梁吸取已建桥梁经验，对于预拱度的取值往往是偏大的。王法武，石雪飞[6]指出，过大的预拱度会使得单向纵坡的桥梁的竖曲线形状发生变化，影响行车速度、行车舒适性。对于桥梁预拱度的分配方式主要有三种：（1）按施工过程和长期变形计算得到的曲线进行分配；（2）按二次抛物线法分配；（3）按余弦曲线法分配。张永水，曹淑上[7]阐明了成桥预拱度按余弦函数分配的合理性及其设置方法，并对比了余弦曲线法和公式算法，结果表明使用余弦曲线法分配成桥预拱度设置的桥梁曲线外形更加美观、平顺。采用余弦曲线法也满足规范中“桥梁建成后有一个平顺行车的条件”的要求[8]。
        2 工程实例
        2.1桥梁结构参数
        大桥主桥为预应力砼连续刚构，跨径布置为83+150+150+83m，箱梁顶宽为12m，底宽为6.5m，箱梁为单箱单室断面。箱梁根部梁高为9.5m，跨中梁高为3m，腹板厚度分别为0.7m和0.5m，底板厚度由中部的0.32m按1.8次抛物线变化至根部的1.1m。桥面铺装层为8cm厚C50砼调平层+10cm沥青砼，两侧护栏各宽0.5m，桥面有效宽度为11m。
        2.2预拱度的计算
        设计图纸给出通过有限元软件Midas/Civil计算的成桥预拱度，是以铺装完成后30年收缩徐变+活载挠度作为成桥预拱度。由于计算值较小与实际桥梁下挠趋势不符，设计在计算值的基础上，在中跨跨中额外增加8cm的预拱度，从跨中到桥墩中心按2次抛物线分配。
        本文连续刚构桥运营阶段中跨跨中最大挠度取162mm（L/1000+1/2活载挠度），成桥预拱度使用余弦曲线法进行分配，在边跨3L/8处设置大小为fz/4左右的预拱度，同样采用余弦曲线变化，其中施工预拱度由下面的公式进行说明：
         （1）

        总预拱度=施工预拱度+成桥预拱度，总预拱度如图1所示，设计采用二次抛物线分配预拱度，在各墩顶处出现突变点，在运营期间会使得车辆行驶不平顺。按余弦曲线分配的曲线在更为平顺、自然，满足规范中“桥梁建成后有一个平顺行车的条件”的要求。

        图1 连续刚构桥施工预拱度设置
        3 结论
        通过有限元软件的仿真模拟与余弦曲线法分配预拱度方法的结合，可以为连续刚构桥设置合理的预拱度。此类桥梁在施工过程中，每一个步骤都会影响成桥后的线形及应力状态，在每一个阶段识别主要影响因素并对模型进行修正，使其更贴近实际施工，设置符合实际的预拱度指导桥梁施工，将会获得契合设计目标的成桥状态。近些年新建的连续刚构桥大多采用类似的方法设置预拱度，取得了预期的效果。
        参考文献：
        [1]王迎军，朱桂新.虎门大桥工程运营状况简介[J].广东公路交通，2000（S1）：242-243.
        [2]杨志平，朱桂新，李卫.预应力砼连续刚构桥挠度长期观测[J].公路，2004（08）：285-289.
        [3]陈恒大，邬晓光，姚丝思，刘俊起.连续刚构桥梁跨中成桥预拱度估算公式[J].武汉大学学报（工学版），2017，50（01）：114-119.
        [4]过镇海，时旭东.钢筋砼原理和分析[M].北京：清华大学出版社，2003.12：57 61
        [5]Xianping Li，Ian N.Roberton.Long-term Performance Predictions of the North Halawa Valley Viaduct.In：Research Report UHM/CEE/03-04，University of Hawaii，2003.
        [6]王法武，石雪飞.大跨径预应力砼梁桥长期挠度控制研究[J].公路，2006（08）：72-76.
        [7]张永水，曹淑上.连续刚构桥线形控制方法研究[J].中外公路，2006（06）：83-86.
        [8]JTG 3362-2018，公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范[S].