1、高墩大跨度连续刚构桥预拱度设置研究摘要：连续刚构桥在设计中设置合理的预拱度能够消除施工过程中各种荷载对线形的影响，减少后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等产生的下挠现象。本文通过对现行规范规定的连续刚构桥预拱度设置的方法进行研究，提出了预拱度设置的合理建议，并通过实例加以说明。 关键词：连续刚构桥 预拱度运营过程下挠 中图分类号： U448.23 文献标识码： A 随着我国交通事业的发展，越来越多的高墩大跨径桥梁不断涌现，连续刚构桥由于墩身与主梁形成刚架承受上部结构的荷载，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在结构上充分发挥了潜能，因此该桥型得到了迅速的应用和发展。但是随着连续刚
2、构桥跨径的增大，使用年限的增加和超载等原因，导致许多的连续刚构桥跨中出现了不同程度的下挠。只有在施工中设置合理的预拱度,才能使连续刚构桥上部结构在经历施工中反复发生向上或向下形式的挠度和结构运营一定时间后，达到设计所期望的标高线形。 本文利用空间大型有限元软件 MIDAS/Civil 对达陕高速王家坝大桥主桥施工阶段进行了分析,对其在施工阶段的预拱度设置进行了分析和研究, 并且对连续刚构桥设计、施工和监控提出相应的意见。 1 工程背景 万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路 D7 合同段王家坝大桥主桥采用三向预应力混凝土连续箱梁刚构桥，左幅跨径组合为（60.42+110.71+60.37m）=
3、231.5m，右幅跨径组合为（59.64+109.29+59.69m）=228.62m。主桥采用单薄壁空心墩，基础采用钻孔桩基础，如图 1 所示。主梁为单箱单室预应力混凝土直腹板箱形梁，主梁根部梁高 6.5m，跨中部梁高 2.8m，箱梁高度由距墩中心 3.0m 处按 1.8次抛物线变化；箱梁顶板宽 12.1m，底板宽 6.5m，翼缘板悬臂长度2.8m，桥面横坡变化，由腹板高度调整；箱梁顶板厚度除 0#块部分为0.5m 外，其余梁段为 0.28m；箱梁底板厚由距墩中心 3.0m 处到合龙段处按 1.8 次抛物线变化，由 0.8m 变化至 0.3m；连续刚构单 T 箱梁采用挂篮悬臂对称浇筑，边跨现
4、浇段采用导梁法一次浇筑完成，边、中跨合龙段采用吊架模板、劲性骨架、平衡重方法进行浇筑。主梁采用采用 C55 混凝土,桥墩采用 C40 混凝土。 图 1 王家坝大桥立面示意图（单位：m） 2 连续刚构桥预拱度设置 根据连续刚构桥结构变形的性质和时间不同，预拱度又分为施工预拱度和成桥预拱度，施工预拱度的设置主要是为了消除施工过程中各种荷载对线形的影响。成桥预拱度的设置主要是为了消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等。预拱度的设置不仅与计算模式选取有关,还与施工阶段的一期恒载即梁自重和预加应力,施工临时荷载、基础沉降、湿度变化、施工误差等因素有关。 目前，对于需要设置预拱度的桥梁
5、，其预拱度的设置方法通常是：以全部恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值为预拱度的最高值，设置在主梁跨中；其它各点预拱度以梁跨中点为最高值；梁的两端为 0，按比例以直线或二次抛物线进行分配。这样设置往往只有少数的点在设置预拱度后与恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值相抵消，有时候甚至使桥梁线形不够平顺，不利于安全行车。可见，设置桥梁合理的预拱度值以及预拱度曲线对道路行车安全、舒适是十分重要的。 3 施工阶段分析仿真模型 该桥运用大型有限元软件 Midas/Civil 进行仿真模拟时分析依据为: (1)采用空间杆系结构模型,墩身和梁体均模拟为梁单元。按照设计图纸中桥梁结构分析,划分为 155 个节点,
6、 132 个单元,其中主梁为 73 个单元，如图 2 所示。 图 2 王家坝大桥 Midas/Civil 仿真模型 (2)因为主梁截面的偏心点选在中上部,而支座位于桥梁底部,因此需要在主梁的底部建立支座节点,并在支座节点上定义约束内容,并将支座节点与主梁节点通过刚臂进行连接;对与边跨导梁浇筑施工段,在施工过程中,梁底部有支架的临时支撑作用,对支架采用只受压弹性连接模拟,支架底部采用固结。 (3)预应力荷载的对结构的作用按照等效荷载的方法,由程序自动生成;挂篮荷载根据施工单位提供的资料，挂蓝自重为 45 吨，前后支点间距为 3.5 米，前支点距梁端 0.8 米，其他荷载按照设计图纸进行等效简化使
7、用; (4)混凝土收缩徐变的影响与加载程序及龄期有关,按照规范定义的计算模式使用;将混凝土处理为同一弹性模量,每阶段中混凝土龄期相同; (5)施工步骤分为:墩身施工、梁体节段施工、浇筑边跨现浇段、边跨合龙、中跨合龙、铺装二期恒载等阶段,其中梁体节段施工每个步骤分为:移动挂篮、浇筑梁体、张拉钢束。 4 预拱度设置及分析 对于使用悬臂浇筑法施工的连续刚构桥为了使成桥后桥面标高与设计标高相接近，主梁线形满足设计和施工要求，对于静定悬臂施工的两端应保持平衡并预设上拱度，即采取预拱度这一有效措施，在本桥施工控制中，预拱度计算如下: （1） 式中: 为施工预拱度值; 为由各梁段自重在 i 节段产生的挠度总
8、和; 为由张拉各节段预应力在 i 节段产生的挠度总和; 为挂篮自重产生的挠度; 为混凝土收缩徐变在 i 节段引起的挠度; 为 1/2 静活载在 i 节段产生的挠度。 一般来讲，桥梁竣工时的梁段标高和设计标高之间是有一定差值的，而这个差值就是由于后期混凝土收缩徐变和预应力损失而设置的成桥预拱度。下面如图 3 所示说明节段立模标高、桥梁竣工时梁段标高和设计标高之间的关系。 图 3 设计标高、竣工标高及立模标高之间的关系示意图 由上图可以清晰看出，悬臂浇筑每一节段的立模标高和桥梁竣工时梁段标高之间的差值为施工预拱度加上各个悬臂浇筑节段的挂蓝变形值之和；而桥梁竣工时梁段标高和梁段设计标高之间的差值为成
9、桥预拱度值。 成桥预拱度用表示，指成桥后，考虑收缩徐变、温度变化、预应力损失和汽车活载对挠度的影响。目前设置成桥预拱度的方法一般都是根据经验确定跨中最大预拱度后，按某种曲线向全跨分配，这里先介绍目前成桥预拱度设置的一般方法：经验曲线分配法和公式算法。 41 经验曲线分配法 根据近几年的实践，跨中最大预拱度一般取 L/2000- L/1000 左右。根据有限元计算结果，弹性应变在中跨 L/4 处产生的变形约为跨中的 1/ 2；因此，徐变变形亦应符合相类似的规律。而应用二次抛物线分配预拱度时，跨中与 L/4 处的预拱度比为 3/ 4，与简支梁计算结果吻合较好，但偏离连续刚构桥理论计算值。所以按余弦
10、曲线分配预拱度的方法更合理。其原因为：(1)余弦曲线在墩顶两曲线连接处切线斜率为零，满足平顺要求；(2)余弦曲线在 L/4 处预拱度为跨中预拱度 1/2，与有限元计算吻合。 中跨成桥预拱度余弦曲线方程为： （2） 上式中：为中跨跨径；为中跨跨中成桥预拱度。 边跨成桥预拱度的设置：理论计算结果表明，边跨最大挠度一般发生在 3L/8 处，大小约为中跨最大挠度的 1/ 4。况且.，由于大跨径连续刚构桥边中跨比一般在 0. 52- 0. 6 左右，桥墩采用柔性墩，在后期运营过程中墩顶将向中跨发生一定的位移。刚构桥墩梁固结，由变形协调可知，转角位移使跨中下挠，边跨上挠。因止，边跨成桥预拱度一般设置较小。
11、 但是，由于现阶段常采取中跨合龙前压重或顶推的方法，使墩顶在成桥时就有一定的向边跨的预偏量。因此，边跨可按理论计算的方法或按照经验设置，在大约边跨 3L/8 处设置大小为左右的预拱度，分配同样采用余弦曲线变化便可。 42 公式计算法 （3） 上式中：为修正系数，按照目前相近跨径的桥梁的下挠实际情况确定此系数；为成桥 5 年后收缩徐变挠度计算值；为活载挠度计算值。 采用上式计算时，活载的计算可在收缩徐变阶段（成桥后 5 年）后加一个阶段，按规范相应的车道荷载计算，将计算结果单独分离出来后乘 1/ 2 的系数；直接采用 1/ 2 车道荷载加载的方式是不准确的，因为车道荷载与其产生的挠度不成比例。收
12、缩徐变的计算是将收缩徐变阶段的计算值减去竣工时计算值。 王家坝主桥预拱度设置采用余弦曲线分配法。 5 结论及建议 由以上模型分析可知, 悬臂浇筑每一节段的立模标高和桥梁竣工时梁段标高之间的差值为施工预拱度加上各个悬臂浇筑节段的挂蓝变形值之和；而桥梁竣工时梁段标高和梁段设计标高之间的差值为成桥预拱度值。影响施工预拱度的这些因素中，梁段自重、挂蓝自重、预应力会随着施工工序和时间对已浇筑梁段产生变形，这种影响贯穿于整个悬臂施工过程中。设置成桥预拱度的两种方法中跨中最大预拱度的大小都是以经验为基础，公式算法中的修正系数主要依据经验，曲线分配法中确立的经验范围 L/2000- L/1000 来确定。两者
13、的成桥预拱度在梁段上的分配曲线是不同的。公式算法的分配曲线采用计算得到的曲线，经验曲线分配法采用新的余弦曲线分配。运用经验曲线分配进行成桥预拱度的设置使曲线外形更加美观，大桥更加平顺。温度变化、预应力损失和汽车活载对成桥预拱度的影响值是容易准确计算出来的，但是成桥预拱度中主要部分是后期混凝土徐变的影响。而混凝土的徐变对桥梁结构成桥后的影响程度还没有得到比较可靠的结论，再加上运营期间几何非线性与徐变挠度的耦合效应显著，所以，目前设置成桥预拱度的方法一般都是根据经验确定。 此外梁体在施工过程中受内外各种荷载的影响及自重荷载作用下,竖向下挠变形是相当大的;而预应力钢束作用下竖向上拱变形占了绝对的比重
14、。所以在仿真模型分析过程中参数的确定需要相当慎重,不能忽视预应力等因素对梁体的影响,特别是运营阶段中后期收缩徐变对桥梁的线性尤为重要,对其设置适当的预拱度对桥梁的合理受力就显得必不可少。 参考文献 1JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S. 2JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范S. 3柳学发.大跨度连续刚构桥的应用和发展J.铁道标准设计,1999(1). 4黄增彦,孙运西.预应力混凝土连续梁式桥养护技术M.北京:人民交通出版社, 2008. 5马保林.高墩大跨度连续刚构桥M.北京:人民交通出版社,2001. 6张永水,曹淑上.连续刚构桥线性控制方法研究J.中外公路, 2006, 26(6): 84-86. 7向中富.桥梁施工控制技术M.北京:人民交通出版社, 2001.
