預應力混凝土連續剛構橋預拱度仿真模型分析

(中交路橋技術有限公司，北京 100102)

1 概述

預應力混凝土連續剛構橋具有結構剛度大、受力性能好、變形小、伸縮縫少、行車平順舒適、造型簡潔美觀、養護工程量小、抗震能力強等特點［1］。

在我國較大的橋梁中，黃石長江大橋、虎門大橋輔航道橋均采用了預應力混凝土連續剛構橋型，其中黃石長江大橋主跨達到了245 m，虎門大橋輔航道橋主跨達到了270 m。但是，隨著跨越能力的增大，預應力混凝土連續剛構橋自身存在的一些不可忽視的問題也逐漸顯露出來，并表現出隨著跨徑的增大呈加劇惡化的趨勢［2］。這其中影響最大的就是預應力混凝土連續剛構橋在服役過程中主跨跨中下撓同時伴隨大量斜裂縫出現的問題?？缰械拇蠓认聯蠒乐赜绊憳蛄旱男熊囀孢m性甚至結構的受力性能。

東莊禾5號橋位于京承高速公路密云沙峪溝—市界段K122+026.80處，主橋為48 m+88 m+48 m的三跨預應力混凝土連續剛構橋，橋面單幅寬13 m。下部結構為雙薄壁矩形實心墩，群樁基礎。主梁的截面形式為單箱雙室箱形截面。箱梁頂板寬12.7 m，底板寬8.7 m，翼緣板懸臂長為2.0 m。箱梁在橋墩處高5.0 m，在跨中處高2.2 m。墩頂0號塊設兩道厚1.2 m的橫隔板，邊跨端部設厚1.5 m的橫隔板，其余部位均不設橫隔板。箱梁的施工采用掛籃懸臂澆筑法進行。箱梁在兩個橋墩的墩頂各設置一個0號塊，0號塊長6 m。從0號塊向兩側各設置11個懸澆節段，各現澆節段的長度為3×3 m+2×3.5 m+6×4 m。東莊禾5號橋總體布置如圖1所示。

圖1 東莊禾5號橋總體布置圖

2 預應力混凝土連續剛構橋預拱度分析

連續剛構橋的預拱度稱之為制作預拱度，制作預拱度分為施工預拱度和成橋預拱度兩個部分。其中施工預拱度是指在節段施工過程中，為抵消各種因素對各箱梁現澆節段在相應階段產生的總位移而設置的預拱度。影響箱梁現澆節段位移的因素有:箱梁各節段的結構自重、箱梁混凝土施工階段產生的收縮徐變、預應力筋束張拉產生的預應力、掛籃和模板的重量、二期恒載等。施工預拱度可以通過建立有限元仿真模型模擬各施工階段計算得到。成橋預拱度是指主梁及主梁上的附屬結構物施工完成后，為抵消橋梁服役階段各種因素對橋梁線形的影響而設置的預拱度。橋梁服役階段影響主梁線形的各種因素包括主梁混凝土服役階段的收縮徐變、結構的自重、結構上承受的活荷載等。成橋預拱度可以通過建立一次成橋有限元仿真模型，按曲線分配等方法得到。東莊禾5號橋的成橋預拱度就是按照曲線分配方法設置得到。

采用掛籃懸臂現澆施工的預應力混凝土連續剛構橋，在分析施工預拱度和成橋預拱度時，主要考慮的影響因素如表1所示。

表1 連續剛構橋預拱度設置影響因素

成橋預拱度和施工預拱度的理論表達式如下所列:

3 有限元仿真模型的建立

東莊禾5號橋有限元仿真模型的建立運用大型有限元結構計算軟件邁達斯Civil進行。模型的總體情況為:主梁懸臂澆筑節段每個節段劃分為1個單元;主梁0號塊、邊跨現澆段和三個合龍段根據梁體的截面變化特點及計算精度的需要劃分為2個單元;主墩根據結構特點將每個薄壁墩體劃分為1個單元，共計4個單元。由于建模的目的是分析主梁在施工過程中的預拱度設置問題，全橋模型共劃分為68個單元，其中上部結構64個單元，下部4個單元。

作用在模型上的荷載主要分為三個部分考慮。

第一部分是靜荷載，靜荷載包括鋼筋混凝土的結構自重、混凝土的收縮徐變作用、預應力等。預應力鋼絞線的各項參數及主梁混凝土的收縮徐變按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范［4］的規定取值。

第二部分是動荷載，動荷載主要考慮汽車荷載。汽車荷載按照JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范中的規定取定。

第三部分是施工荷載。施工荷載主要考慮掛籃荷載和主梁合龍時的配重荷載。其中掛籃荷載按設計圖紙提供的掛籃質量參數580 kN取值，并確定掛籃支點的作用點。配重按290 kN計算。

建立模型時各單元的橫截面按實際尺寸參與計算，齒板按施工階段分別作用考慮。

在邊界條件方面，除了墩身單元的下節點被固結外，主梁兩端節點設置為通過可以在模型平面內轉動的鉸與剛體連接。

建立完成的東莊禾5號橋有限元仿真模型總體情況如圖2所示。

圖2 Midas分析的計算模型圖

4 模型計算結果和討論

通過模型計算，可以得到主梁各節段在施工過程中的施工預拱度和成橋預拱度。主梁施工預拱度和成橋預拱度的最終變形曲線如圖3所示。

圖3 東莊禾5號橋預拱度

在計算過程中，因為后期收縮徐變與活載作用產生的主梁豎向位移最大值的發生位置相似，中跨二者的最大值都發生在跨中，邊跨二者的最大值都發生在距邊跨起點0.35倍邊跨跨徑處，所以在監控過程中通常將二者以成橋預拱度形式一并分配于橋梁中跨及邊跨，而不予分別計算。根據多座預應力混凝土連續剛構橋后期主梁變形的觀測數據，成橋預拱度中跨最大值通常取為中跨跨徑的1/1500～1/1000，邊跨最大值通常取為中跨最大值的1/3～1/4左右。東莊禾5號橋邊跨的成橋預拱度取為3 cm，最大值點出現在邊跨的0.35處。中跨的成橋預拱度為9 cm，約為中跨跨徑的1/3000，最大值點出現在中跨的跨中處。

5 結語

東莊禾5號橋從跨徑和長度上來說均算不上大型橋梁，該橋在施工過程中的監控亦不復雜。但從預應力混凝土連續剛構橋的角度來說，對該橋在施工過程中和服役后一段時間內的主梁撓度進行持續的監控和研究，對于解決預應力混凝土連續剛構橋跨中下撓的問題仍具有重要的意義。希望本次東莊禾5號橋的監控案例能對預應力混凝土連續剛構橋的理論研究作出貢獻。

［1］柳學發.大跨度連續剛構橋的應用和發展［J］.鐵道標準設計，1999(1):3-4.

［2］馬保林.高墩大跨度連續剛構橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術規范［S］.

［4］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［5］向中富.橋梁施工控制技術［M］.北京:人民交通出版社，2001.