大跨剛構橋結構剛度對主梁下撓的影響分析

朱 宇 （安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概況

連續剛構橋采用墩梁固結的結構形式，墩與梁形成一個整體共同受力，荷載按照一定的比例在墩梁之間進行分配，因此結構體系將導致不同的受力性能，同時也將影響結構的長期變形。具體來說，大跨度連續剛構橋梁跨中長期下撓與橋梁的結構形式和剛度存在一定的關系，跨徑越大恒載所占比例越大；橋墩越高結構柔度也越大，施工中越容易產生偏差；結構的剛度是決定結構受力分配的根本。因此跨徑、橋墩和剛度都會影響結構的內力分布，進而影響到跨中下撓量。

在橋梁施工以及成橋運營過程中，由于種種原因，橋梁結構的剛度會相對設計狀態有所降低。橋梁剛度折減從原因上來看，包括以下幾個原因：①在懸臂掛籃澆筑過程中，由于施工時的材料因素、養護因素等，不可避免地導致箱梁幾何特性上的誤差，使得橋梁成橋時的結構剛度就比設計情況要低；②在橋梁服役期間，橋梁使用環境相對比較惡劣，由于使用中環境因素等，橋梁結構出現一定的磨損甚至開裂，難免出現剛度折減的情況。這些都將導致剛構橋跨中下撓的發展和惡化。

2 研究過程

2.1 總體思路

為了綜合研究上述因素作用下連續剛構箱梁長期下撓的問題，本文采用簡化的算法，通過調整混凝土彈性模量，來模擬箱梁剛度的變化，分別分析橋梁結構整體剛度折減和局部剛度折減對橋梁長期下撓的影響。

2.2 彈性模量的影響

混凝土彈性模量的變化會直接影響連續剛構橋主梁和橋墩的剛度，從而影響到主梁的變形。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，分別考慮在混凝土彈性模量為35.5MPa （C55） 的60% 、80%、100%、120%、140%五種情況下，計算分析跨中長期下撓的變化情況。

圖1 180m 剛構橋彈模變化與下撓關系

圖2 150m 剛構橋彈模變化與下撓關系

以上對比分析可知，彈性模量的變化對連續剛構橋的跨中下撓影響并不大，只是隨著成橋時間的推移，彈性模量的增大對橋梁跨中下撓現象的減輕效果會變好。彈性模量對跨中下撓的影響趨勢并不會隨著跨徑的變化而變化。

2.3 結構整體剛度變化的影響

連續剛構橋主梁和橋墩的剛度的整體剛度變化直接影響到主梁的變形，從而對結構長期下撓產生影響。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，考慮在年平均相對濕度70%的情況下，橋梁整體剛度不折減、折減10%、20%、30%、40%時，五種情況下計算分析跨中長期下撓的變化情況。

圖3 180m 剛構橋彈模變化與下撓關系

對于180m 剛構橋，在成橋相同時間的情況下，整體剛度損失越大，下撓的量就越大，成橋30 年時，整體剛度折減40%的情況下和整體剛度不折減時相比，最大下撓量增加了34.2%，最大上拱量邊跨的上翹增加了49.4%。隨著成橋年限的增長，同一剛度損失條件下，橋梁的下撓量是不斷增加的，但是增加速度呈減緩趨勢，符合長期下撓位移的變化趨勢。

圖4 150m 剛構橋彈模變化與下撓關系

對于150m 剛構橋，基本趨勢和180m 剛構橋類似。

在同樣的整體剛度折減以及成橋時間的情況下，橋梁中跨下撓量隨著跨徑增大而增大，而邊跨上拱值卻隨跨徑增大而減小。主要原因在于隨著跨徑的增大，大跨度連續剛構橋的自重效應更加明顯，橋梁整體（中跨和邊跨）均有下撓的趨勢，從而導致中跨跨中向下位移值增大而邊跨上拱值減小。

同時，隨著跨徑的增大，整體剛度損失對于變形增加的影響更為嚴重，出現同樣整體剛度損失時，跨徑大的橋梁變形增加越大，增加速度也越快。

通過以上對比分析，可知在不同的橋梁整體剛度折減條件下，橋梁整體剛度變化對于橋梁長期下撓有一定的影響，但是影響幅度并不是很大，整體剛度折減40%時，對于主跨150m 的連續剛構橋長期下撓也就增加26%。而實際工程中幾乎不可能出現這么大的整體剛度折減。此外，對于大跨徑的剛構橋，要比跨徑較小的剛構橋更加關注整體剛度損失的問題，這在后期成橋后的橋梁管養工作中應該引起注意。

2.4 結構局部剛度變化的影響

橋梁結構在運營期間的剛度損失，一般不可能是橋梁整體剛度同時損失，在行車荷載、外界環境等因素的影響下，有可能某些敏感部位出現較為明顯的剛度損失，而其他部位剛度損失較小。根據實際情況，將主梁進行劃分，結構局部分別選取主跨跨中梁段、1/4 處梁段、墩頂梁段、邊跨支座附近梁段四種具有代表性的情況分別進行分析。

圖5 跨中梁段剛度折減與下撓關系

隨著主跨跨中梁段剛度折減比例的增加，主跨最大下撓度有所減少，邊跨最大上拱度有所增加。也就是說，橋梁主跨跨中剛度折減對于橋梁跨中下撓有減緩的作用，對邊跨上拱有加劇的作用。

圖6 1/4 處梁段剛度折減與下撓關系

1/4 處梁段剛度折減比例與最大下撓值、最大上拱值之間呈非線性關系，但不是很明顯。隨著1/4 處梁段剛度折減比例的增加，最大上拱值增加變快。

圖7 墩頂梁段剛度折減與下撓關系

墩頂梁段剛度折減對橋梁整體變形影響并不很大，對橋梁邊跨上拱的影響較大。邊跨上拱除了一部分是由于剛度折減本身造成的，還有一部分是由于中跨下撓增量引起的邊跨額外上撓。

圖8 邊跨支座梁段剛度折減與下撓關系

支座附近梁段剛度折減對橋梁整體變形影響較小，其中對橋梁邊跨上拱有較大影響。這是由于支座附近梁段剛度折減直接影響邊跨的變形，而對中跨變形的影響在傳遞過程中減弱。

3 結語

橋梁整體剛度下降將導致跨中下撓加劇，跨徑越大，這種加劇效應越明顯。而不同部位的梁段剛度折減對于橋梁的變形情況有不同的影響。當局部剛度折減發生在主跨跨中梁段、墩頂梁段以及支座附近梁段時，對于橋梁結構長期下撓的影響要普遍小于整體剛度損失，以及1/4 處梁段剛度損失造成的影響。這是由于墩頂梁段和支座附近梁段區域以自重負彎矩效應控制，剛度的減小對主跨跨中的下撓的影響程度要遠小于自重正彎矩控制區域。

當剛度折減僅僅發生在1/4 處梁段上時，主跨跨中下撓值增長比例和增長值都是最大的，甚至比橋梁結構整體剛度折減時的下撓還要嚴重。在橋梁施工中，應該著重注意橋梁1/4 處梁段的施工質量，保證其剛度滿足要求；在橋梁的成橋運營期間，應該對1/4 處梁段進行重點檢查，避免出現嚴重的剛度損失。