連續梁橋中跨跨中豎向變形的關鍵影響因素分析

劉 凱

（創輝達設計股份有限公司,湖南 長沙 410000）

隨著我國交通基礎設施建設的蓬勃發展,越來越多的橋梁在設計時選擇采用預應力砼變截面連續梁橋。當連續梁橋通車運營一段時間后,設計人員發現,大部分連續梁橋出現中跨跨中豎向變形值下降幅度過大的病害,導致橋面鋪裝開裂,橋梁立面線形破壞,直接影響著橋梁結構的安全性和耐久性[1-2]。

本文針對通車運營后的PC連續梁橋中跨跨中豎向變形值下降幅度過大的問題,從橋梁結構、作用荷載和橋址環境等因素上探討連續梁橋中跨跨中豎向變形值隨鋪裝厚度類型、車道荷載超限、中跨預應力荷載和相對濕度改變的變化規律。

1 工程概況

某公路大橋上部結構為55m+90m+55m的變截面PC連續箱梁,單箱雙室,采用懸澆對稱施工,主梁采用C50砼,橋面寬18.5m,墩頂梁高5.5m,跨中及兩端梁高2.5m,按1.8次拋物線變化,下部結構橋臺為肋板臺,橋墩為實體墩,墩臺基礎均為樁基礎。主梁按全預應力構件設計,其中中跨底板束和中跨頂板束均為15φs15.2mm低松弛鋼絞線。

2 分析方案

基于橋梁結構計算滿足要求的前提,在橋梁結構尺寸、作用荷載和地質資料一致的條件下,從以下幾個方面分析梁橋中跨跨中豎向變形量（正值為向上變形）的變化規律：（1）橋面鋪裝影響方案：水泥混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝；（2）車道荷載超限影響方案：一側車道和兩側車道；（3）中跨鋼束預應力荷載損失影響方案：中跨底板束和中跨頂板束；（4）主梁砼材料受環境年平均相對濕度影響方案：C50砼和C55砼。

3 分析模型

運用midas Civil 2019軟件建立55m+90m+55m連續梁橋的有限元模型,全橋共設111個節點,76個單元,按設計要求施加邊界條件和荷載后,設定50個施工階段,見圖1。

圖1 分析模型

4 計算結果與分析

4.1 橋面鋪裝的影響

當其他條件相同時,分別選擇不同類型的橋面鋪裝,改變其厚度,運行分析模型,得到相應梁橋的中跨跨中豎向變形量變化圖。

由圖2可知,水泥砼和瀝青砼鋪裝的梁橋中跨跨中豎向變形量均隨鋪裝層厚度增大而減小,采用水泥砼的變化曲線斜率比采用瀝青砼的變化曲線斜率大,當鋪裝厚度從5cm增大到10cm時,瀝青砼鋪裝的中跨跨中豎向變形量從46.495mm降低到45.717mm,僅降低1.67%,水泥砼鋪裝的中跨跨中豎向變形量從45.717mm降低到43.303mm,降低了5.28%,這是因為橋面鋪裝材料和厚度不同時,豎向溫度梯度和鋪裝自重引起的效應不同,當對運營期的橋梁立面線形要求較高時,橋面鋪裝建議選用瀝青砼,維養時不同厚度的瀝青砼鋪裝對中跨跨中豎向變形量的影響較小。當橋梁鋪裝采用水泥砼時,施工應特別注意水泥砼的厚度,避免局部不均勻導致通車運營后,橋梁立面線形與設計不符,影響行車舒適度。

圖2 中跨跨中豎向變形量隨橋面鋪裝厚度的變化

4.2 車道荷載超限的影響

當其他條件相同時,改變橋梁通車后的車道荷載數值,運行分析模型,得到相應梁橋中跨跨中的豎向變形量變化圖見圖3。

圖3 中跨跨中豎向變形量隨車道荷載數值的變化

由圖3可知,梁橋中跨跨中豎向變形量均隨車道荷載數值增加而減小,往返兩側車道荷載均超限的變化曲線斜率比一側車道荷載超限,但另一側恒為設計車道荷載的變化曲線斜率大,當車道荷載數值從1倍公路I級荷載增加到1.15倍公路I級荷載時,往返兩側車道荷載均超限的梁橋中跨跨中豎向變形量從45.875mm減小到44.097mm,降低了3.87%,僅一側車道荷載超限的梁橋中跨跨中豎向變形量從45.875mm減小到44.986mm,僅降低1.94%,梁橋中跨跨中豎向變形量受車道荷載超限的影響較大。預期橋梁通車后會有較多的重車通行時,在保證經濟可接受的前提下,適當增大設計車道荷載數值,當后期重車通行量逐步增大時,儲備富余量將維持橋梁設計的立面線形,保證橋面行車的舒適度。

4.3 中跨鋼束預應力荷載損失的影響

當其他條件相同時,分別選擇中跨不同位置的縱向鋼束,改變其鋼束預應力荷載損失值,運行分析模型,得到相應梁橋中跨跨中的豎向變形量變化圖見圖4。

圖4 中跨跨中豎向變形量隨預應力荷載損失的變化

由圖4可知,梁橋中跨跨中豎向變形量隨中跨底板束預應力荷載損失值的增大而減小,隨中跨頂板束預應力荷載損失值的增大而增大,當鋼束預應力荷載均未損失時,梁橋中跨跨中豎向變形量為45.875mm,當中跨頂板束預應力荷載損失25%時,梁橋中跨跨中豎向變形量為46.61mm,僅提升1.61%,當中跨底板束預應力荷載損失25%時,梁橋中跨跨中豎向變形量為39.866mm,降低了13.1%,因中跨頂板束在設計時一般設置數量較少,可忽略其有利作用,當連續梁橋中跨跨中豎向變形量降幅較大時,可通過二次張拉中跨底板的預應力鋼束或在中跨底板上增設體外束,結構驗算安全后進行張拉,提高中跨底板的預壓應力,減少梁橋中跨跨中豎向變形下降量。

4.4 主梁砼材料受環境年平均相對濕度的影響

當其他條件相同時,分別選擇不同的主梁砼材料,改變其環境年平均相對濕度,運行分析模型,得到相應梁橋中跨跨中的豎向變形量變化圖見圖5。

圖5 中跨跨中豎向變形量隨環境年平均相對濕度的變化

由圖5可知,不同主梁材料下的梁橋中跨跨中豎向變形量均隨環境年平均相對濕度增加而增大,主梁材料采用C50砼與采用C55砼的變化曲線斜率基本相同。當環境年平均相對濕度從60%增大到85%時,主梁材料為C50砼的梁橋中跨跨中豎向變形量從45.441mm增大到46.703mm,僅提高2.78%,主梁材料為C55砼的梁橋中跨跨中豎向變形量從45.863mm增大到47.029mm,僅提高2.54%,環境年平均相對濕度對C55砼與C50砼在中跨跨中豎向變形量的影響較小,主梁材料設計時可按經濟性要求選擇C50砼,當橋址環境偏干燥時,運營期可考慮在箱梁內外鋪設霧化水管,盡可能提高梁橋的年平均相對濕度,較低成本的增大橋梁的中跨跨中的豎向正變形量。

5 結論

本文針對運營期間的PC連續梁橋,在不同設計方案下進行數值仿真模擬,通過將不同方案中計算的中跨跨中豎向變形量進行對比分析,得到了以下幾點結論：（1）水泥砼和瀝青砼鋪裝的梁橋中跨跨中豎向變形量均隨鋪裝層厚度增大而減小,當對運營期的橋梁立面線形要求較高時,橋面鋪裝建議選用瀝青砼,當實際情況要求橋梁鋪裝采用水泥砼時,施工應特別注意水泥砼的厚度,避免局部不均勻導致通車運營后,橋梁立面線形與設計不符,影響行車舒適度；（2）梁橋中跨跨中豎向變形量隨車道荷載數值增加而減小,且受車道荷載超限的影響較大,預期橋梁通車后會有較多的重車通行時,在保證經濟可接受的前提下,可適當增大設計車道荷載數值；（3）梁橋中跨跨中豎向變形量隨中跨底板束預應力荷載損失值的增大而減小,隨中跨頂板束預應力荷載損失值的增大而增大,當連續梁橋中跨跨中豎向變形量降幅較大時,可通過二次張拉中跨底板的預應力鋼束或在中跨底板上張拉增設的體外束,減少梁橋中跨跨中豎向變形下降量；（4）主梁材料采用C50砼和C55砼的梁橋中跨跨中豎向變形量均隨環境年平均相對濕度增加而增大,但環境年平均相對濕度對C55砼主梁與C50砼主梁在中跨跨中豎向變形量的影響較小,設計時主梁材料可按經濟性要求選擇C50砼,當橋址環境偏干燥時,運營期可考慮在箱梁內外鋪設霧化水管,盡可能提高梁橋的年平均相對濕度,較低成本的增大橋梁的中跨跨中的正豎向變形量。