淺析大跨度橋梁轉體橋預拱度計算分析

瞿生科

摘 要：平轉法施工在特定情況下（如）跨越重要交通運輸路線，具有其他施工方法無法比擬的優越性。平轉法施工通常具有所用施工設備少、難度小、速度快、費用低、對現有交通影響小、結構受力合理的特點，近年來在橋梁施工中應用越來越多。本文主要論述橋梁轉體橋預拱度計算，闡述各種狀態下對預拱度有影響。

關鍵詞：預拱度;線形控制;支架剛度

線形控制（狹義上稱高程控制）是施工控制的重要內容。線形控制非常重要，它是保證順利成橋的關鍵。為了成橋時橋梁線形達到預定目標，在主梁的施工過程中需設置預拱度。預拱度的設置以理論計算為基礎，以實際測量的主梁變位為依據，并考慮施工過程中混凝土的實際容重、收縮徐變、預應力效應、橋面臨時荷載、體系轉換、日照溫差等多方面的影響。那么弄清預拱度曲線的變化規律很有必要。預拱度的形狀主要取決于橋型和施工方法，預拱度的大小主要取決于橋梁剛度、荷載及施工環境中各方面因素。本章以跨京滬鐵路轉體橋計算模型為基礎，通過改變計算模型中的平曲線半徑、支架剛度、徐變模型、墩身高度等參數，分析得到由恒載、預加力、收縮徐變及1/2靜活載計算的預拱度的變化規律[16]，從而為轉體施工的T型剛構橋梁預拱度的計算提供借鑒。

一、預拱度影響因素

影響預拱度的因素即是影響橋梁變形的因素，主要因素有：

1計算圖式和結構剛度

不同的橋型對應不同的計算圖式，不同的計算圖式對應不同的預拱度性狀。比如等剛度簡支梁橋，跨中撓度最大，支點處最小。

結構剛度越大，結構變形越大;反之越小。

2結構自重

自重作用引起的變形在總變形中占有很大的部分，特別是大跨度橋梁中。

3二期恒載

橋面鋪裝、防撞護欄等作用及二期恒載上橋時間對橋梁變形有較大影響。

4預加力

預應力引起的變形在總變形中占很大部分，比如懸臂狀態下張拉頂板束會引起主梁上撓，張拉底板束會引起主梁下撓。預加力越大，變形越大。

5結構體系轉換

施工過程中往往需要經歷很多次體系轉換，這樣計算圖式不斷變化，從而引起變形規律的變化。

6施工方法

不同的施工方法施工工序不盡相同，各施工階段對應的結構、邊界條件、荷載不同，變形也不同。比如懸臂施工和支架施工，懸臂施工是靜定體系，而支架施工可看成是多點支承的超靜定體系，主梁的變形存在很大的差異。若只考慮主梁自重荷載，有支架施工的特點是施工過程中節段自重由支架承受，完成各節段的施工后各節段整體落架，自重由支座承擔;懸臂施工的特點是施工過程中各節段的自重荷載始終由支座或臨時支承承擔。有支架施工先完成節段自重對后施工節段的變形也有影響;懸臂施工先完成節段自重對后完成節段變形沒有影響[18]。

7混凝土收縮徐變

混凝土的收縮徐變計算比較困難，影響的因素很多，主要有水泥品種、集料性質、配合比、外加劑、加載齡期、溫度、應力大小和持續時間等。混凝土收縮徐變機理比較復雜，本質上取決于其內部的物理化學過程。目前主要的理論有力學變形理論、塑形理論和粘性流理論。不同的模型計算的變形值有較大差別。

8掛籃自重及其變形

如果采用掛籃懸臂施工，掛籃自重對已澆梁段產生變形，掛籃自身也發生變形。

9支架剛度

如果采用支架施工，支架的支承剛度大小影響主梁變形，剛度大變形小，剛度小變形大。

10墩身變形

墩身變形直接影響主梁線形，特別是高墩情況。

11平曲線和縱坡

位于平曲線上的橋梁屬于空間結構，應該考慮空間效應，如主梁扭轉變形。當主梁位于較大的縱坡上時，應該考慮其影響。

12溫度

混凝土結構在溫度荷載作用下會發生變形，特別對于超靜定結構影響更大。

13施工荷載

施工過程中，臨時荷載引起主梁變形，卸除后變形恢復。

由上可知，影響變形的因素很多。而對于同一種橋型和同一施工方法的橋梁，前6種因素影響下的變形規律是不變的，變形主要考慮后7種因素，尤其是（7）-（11）。

二、平曲線對預拱度的影響

曲線梁橋由于彎扭耦合使得其受力變形較直線橋復雜的多[10]，預拱度計算比較困難。曲線橋轉體施工法的實例為數不多，預拱度的設置要除了要考慮轉體法的特殊性外，還要考慮平曲線的影響[16]。

為了分析各種半徑平曲線對預拱度設置的影響，在原橋基礎上，保持中間柱墩位置及切線方向不變，建立半徑600m、400m、300m、200m、150m共5個有限元計算模型。通過對6個模型計算結果的對比分析，得到平曲線對支架現澆轉體施工橋梁預拱度的影響。以下預拱度圖中：豎向預拱度向上為正，向下為負;扭轉預拱度符合右手螺旋法則，大拇指從端支點指向中支點，順食指方向為正，反之為負;橫向預拱度向曲線外側為正，內側為負。

1 平曲線對豎向預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的豎向預拱度見圖1。

由圖1可知，不管平曲線半徑為何值，豎向預拱度的極值發生在15號節點（A2節段末）、24號節點（A4節段開始）及16號節點（A3節段開始）。且豎向預拱度隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，豎向預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，豎向預拱度增幅絕對值較大。以15號節點為例，曲線半徑600m、400m、300m時豎向預拱度較曲線半徑800m分別增加2%、6%，11%;曲線半徑200m、150m時豎向預拱度較曲線半徑800m分別增加24%、39%。但是預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約15mm、6mm。可見，平曲線對豎向預拱度的影響較小，在大半徑曲線時可以不考慮其影響。

2平曲線對扭轉預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的扭轉預拱度下圖：

由圖2可知，不管平曲線半徑為何值，扭轉預拱度的極值發生在5號節點（A1節段）、31號節點（A4節段末），而24號節點（A4節段開始）基本為0。且扭轉預拱度絕對值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，扭轉預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，扭轉預拱度增幅絕對值較大。以5號節點為例，曲線半徑600m、400m、300m時預拱度絕對值較曲線半徑800m分別增加33%、100%，166%;曲線半徑200m、150m時預拱度絕對值較曲線半徑800m分別增加300%、425%。

扭轉預拱度在A4合攏段開始處基本為0，這是由于施工完成A3節段后脫架，前3個節段的扭轉變形既已基本完成，而后澆A4節段對此處的扭轉變形影響較小。扭轉預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約0.063°（梁截面左右兩點高差約5.5mm）、0.051°。

可見，平曲線對扭轉預拱度的影響大于對豎向預拱度的影響。當曲線半徑較大（大于300m）時，可以不考慮平曲線的影響。

3平曲線對橫向預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的橫向預拱度見圖3。

由圖3可知，不管平曲線半徑為何值，橫向預拱度的極值發生在1號節點（A1節段開始）、31號節點（A4節段末），而23號節點（A3節段末）基本為0。且橫向預拱度絕對值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，橫向預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，橫向預拱度增幅絕對值較大。以1號節點為例，曲線半徑600m、400m、300m時預拱度較曲線半徑800m分別增加50%、105%，172%;曲線半徑200m、150m時預拱度較曲線半徑800m分別增加305%、438%。

橫向預拱度在A4合攏段開始處基本為0，這是由于施工完成A3節段后脫架，前3個節段的橫向變形既已基本完成，而后澆A4節段對此處的橫向變形影響較小。橫向預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約9.7mm、7.9mm。

可見，平曲線對橫向預拱度的影響大于對豎向預拱度的影響。當曲線半徑較大（大于300m）時，可以不考慮平曲線的影響。

平曲線對預拱度的影響主要表現在對橫向、扭轉預拱度的影響，對豎向預拱度影響較小。當半徑大于300m時，計算預拱度時可以不考慮平曲線。

二、支架剛度對預拱度的影響

在原橋模型基礎上，增加支架豎向剛度一倍，即支架豎向剛度取40000t/m，進行對比分析。豎向、扭轉、橫向預拱度見圖4、5、6。

由圖可知，支架剛度增加一倍，豎向、扭轉、橫向預拱度基本不變，最大差值約0.4mm。由此可見，滿堂支架施工經過預壓后剛度已經很大，支架剛度在合理范圍內取值，基本不會影響預拱度的大小[16]。

三、徐變模型對預拱度的影響

原橋模型采用老化理論計算混凝土收縮徐變，收縮徐變計算參數見下節。采用公路04規范收縮徐變計算公式建立計算模型，進行對比分析。

豎向、扭轉、橫向預拱度見圖7、8、9。由圖可知，采用不同的徐變模型，計算的豎向預拱度差異較大，最大差值約10mm。而對扭轉、橫向預拱度的影響較小，對于本橋可以不予考慮。

四、墩身高度對預拱度的影響

原橋模型橋墩高度10.5m，通過改變其墩身高度建立墩高15m、20m、25m的計算模型，進行對比分析。不同墩身高度的橋梁豎向、扭轉、橫向預拱度見圖10、11、12。

由圖可知，墩身高度的變化對豎向、扭轉預拱度的影響甚小，最大差值分別為3mm和0.011°（相當于主梁兩側1mm的高差），可以忽略。當墩身高度較大時，由于墩身橫向變形較大，主梁應該考慮設置橫向預拱度。墩身高度對豎向預拱度的影響主要是由墩身壓縮引起的，本橋墩身為實心截面，壓縮剛度較大，墩身豎向壓縮變形較小。

五、運營階段混凝土收縮徐變引起的預拱度

一般情況下，橋梁施工周期較短，混凝土收縮徐變是一個長期的過程，成橋時混凝土收縮徐變并沒有完成，因此預拱度要考慮運營階段混凝土收縮徐變因素。一般在成橋后插入一個施工周期為10年的施工階段（不考慮移動荷載），考慮運營階段混凝土收縮徐變。主梁成橋時和收縮徐變10年后的主梁變形見圖13、14、15。

由圖可知，收縮徐變10年后，主梁豎向變形較大，最大10mm，應該在預拱度設置中考慮。主梁扭轉和橫向變形較小，設置預拱度時可以不考慮。

六、各部分作用對預拱度的貢獻

主梁變形是由多種作用共同作用的結果，不同作用引起的變形大小不相同，那么各作用下，主梁應該設置的預拱度也不相同。各種作用下應設豎向預拱度見圖16。

由圖可知，結構自重和預加力作用下的應設預拱度較大，但方向相反，基本抵消。收縮徐變和1/2靜活載作用下的應設預拱度較小，方向也相反，但收縮徐變的比1/2靜活載的絕對值要大。

七、結論

通過上述分析，可以得出以下結論：

1不同半徑平曲線對預拱度有影響。隨著平曲線半徑的減小，豎向預拱度、橫向預拱度絕對值、扭轉預拱度絕對值都有增大的趨勢：平曲線半徑大于300m時，增幅絕對值較小;平曲線半徑小于300m時，增幅絕對值較大。平曲線對橫向、扭轉預拱度的影響較大，對豎向預拱度影響較小。當半徑大于300m時，計算預拱度時可以不考慮平曲線的影響。對于本橋，可以只設置豎向預拱度，不設置扭轉、橫向預拱度。

2支架剛度取值在合理范圍內時，對預拱度的影響較小。

3采用不同徐變模型計算的預拱度差異較大。對于本橋，只需要考慮不同徐變模型對豎向預拱度影響的差異。應該在線形控制過程中，根據實際情況調整，選取合理的徐變模型參數計算預拱度。

4墩身高度對曲線橋梁的橫向預拱度產生較大的影響。墩身高度較大時，應考慮設置橫向預拱度。

5本橋運營階段混凝土收縮徐變作用下，產生較大的豎向變形。計算預拱度時應考慮。

6結構自重和預加力作用下的應設置的預拱度值較大，其計算誤差對預拱度的設置產生的影響最大。

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