基于連續剛構橋研究撓度的不同影響因素分析

施秀山 SHI Xiu-shan；楊海洋 YANG Hai-yang

（①紅河州地方公路管理處，蒙自 651100；②紅河紅發交通投資有限公司，蒙自 651100）

0 引言

我國云南省的地形地貌比較復雜，即在該地區的許多山谷河流都修建上了連續剛構橋。連續剛構橋具有許多優點，如：跨越能力強、行車舒適以及施工方便等[1]。但是，在連續剛構橋施工期間橋梁的跨中和邊跨都會形成一定的撓度，即在橋梁的運營過程之中隨著橋梁使用年限的增加啊，其撓度會越來越大，當橋梁的跨中下撓嚴重就會形成混凝土裂縫，進而影響橋梁的結構安全。因此，分析不同的下撓原因可以為連續剛構橋的下撓積累分析經驗，并且對橋梁監控以及維修加固具有重要意義[2]。

1 工程背景

本文主要分析研究了云南省的某一座連續性的剛構橋，全橋一聯，且橋梁的跨徑布置為（66+120+66）米。并且主梁主要表現為單箱單室的箱梁，此橋的橋面寬度為9米，主梁的底面寬度為5米，以及箱梁的根部主梁的高度為7.5米，位于中跨跨中和梁端的主梁的高度為3米，并且箱梁的主梁的高度及主梁的底面曲線按照2次拋物線的形式變化。該橋的橋墩主要使用雙肢薄壁空心墩，并且1號橋墩的高度為24米，2號橋墩的高度為23米。連接橋墩的承臺的厚度為4米，并且采用9根直徑為2米的鉆孔灌注樁作為基礎，并且樁長分別為48米和50米[3]，其橋型布置見圖1所示。

圖1 橋梁布置圖（單位：m）

2 有限元模型的建立

使用計算模擬軟件建立該連續剛構橋的MIDASCivil全橋的梁單元模型，并且其中連續剛構橋的主梁變化情況是主要是主要采用變截面的梁單元模擬，并且樁基礎、承臺、橋墩以及主梁采用剛性連接模擬現實接觸[4]。樁基礎使用“m”法計算樁土之間的作用影響并且通過節點來模擬彈性支承，即關于全橋的空間三維結構形成的建模圖如圖2所示。

圖2 全橋三維結構離散圖

3 不同影響因素對撓度的影響

3.1 自重變化對撓度的影響

在連續剛構橋正常施工的時候會根據建模計算分析設置好橋梁撓度的大小以此來監控預防橋梁形成過大的下撓度。但是，在施工的時候混凝土澆筑不可能做到盡善盡美。其中，在進行混凝土階段澆筑的時候，混凝土的模板產生變形從而導致混凝土的自重增加；還有就是，混凝土頂表面不平整從而導致混凝土自重增加。即本節主要分析混凝土自重的不同對橋梁撓度的影響，混凝土自重系數變化如表1所示。

根據混凝土的自重增加的百分比，調整模型中混凝土的自重系數來表達混凝土增加的部分，根據表1分別建立的模型，得到工況一、工況三和工況五的不同節點位置的撓度變化情況，如圖3所示。

表1 混凝土主梁的自重系數變化值

圖3 不同工況下的撓度隨節點不同位置的變化情況

根據奇數工況可以看出，混凝土超重對結構的撓度具有較小的影響，用曲線在圖中展示不是很清晰。但是，圖中可以明顯的看出撓度的最大絕對值并不是在跨中，而是處于橋墩到跨中的3/4處，邊跨也是基本處于橋墩到橋臺的3/4處。根據圖3所示具有對稱性，故本文分別選取邊跨節點14號、靠近跨中節點70號以及跨中節點76號的撓度進行分析研究，即得到表2。

根據表2中可以看出，當混凝土的自重每增加1%的重量時，14號節點的撓度就下降約0.41mm，70號節點的撓度就下降約0.44mm，而76號節點的撓度就只下降了約0.24mm。故當混凝土的自重按1%的重量增加時，那與原來相比多出來的1%重量就會使不同節點混凝土撓度按照一定量的位移下降。

表2 不同節點在不同工況下的撓度

即在施工的時候，根據正常情況下設置混凝土自重預拱度是可以正常保證混凝土的撓度的。但是，施工時可能導致混凝土自重增加，從而導致原本的預拱度不在滿足實際施工的需要，故我們需要及時的做好施工監控工作，以保證混凝土的自重在合理范圍之內，同時保障結構安全。

3.2 基礎不均勻沉降對撓度的影響

在施工的時候，有許多原因造成地基的不均勻沉降。其中，橋梁的1號和2號橋墩的沉降差別過大會使得橋梁結構產生附加應力，進而當形成的附加應力超過結構的抗拉應力，繼而使得結構產生更大的變形[5]。故本節通過控制1號和2號橋墩的下沉量并且支座處的沉降量為0毫米保持不變，來分析研究基礎的不均勻沉降對撓度的影響，即設置橋墩的沉降量如表3所示[6]。

表3 橋墩沉降量的具體變化表

即連續剛構橋具有對稱性，故考慮工況一至工況三為一個橋墩單獨沉降，工況四至工況六為兩個橋墩整體整體沉降。

根據圖4中可以分析得出，前三種工況只考慮了1號橋墩的下沉量，其中隨著一號窮橋墩的下沉，位于1號橋墩左右兩邊的橋梁兩跨也隨之形成撓度，并且隨著下沉量的增大，各個位置的撓度也隨之增大；同時，在1號橋墩下沉而2號橋墩沒有下沉的時候，由于1號橋墩的下沉引起了2號橋墩右側邊跨形成上撓度。后三種工況考慮了1、2號橋墩同時下沉的情況，其中隨著1、2橋墩的同時下沉中跨跨中出現了明顯的下撓，然而由于認定支座每由產生沉降量，故兩個邊跨被迫跟隨1、2號橋墩形成下撓，并出現了明顯的對稱性能[7]。

圖4 基礎沉降對撓度隨節點位置不同的變化情況

根據表4中可以分析得出，針對于具有對稱性的連續剛構橋，只有1號橋墩沉降和1、2號橋墩同時沉降時，1號橋墩的邊跨跨中的撓度隨著沉降量的變化一樣，下撓的量是一樣的，同時隨著沉降量的增加撓度也是隨著線性變化的，即每增加10毫米的沉降量便會下撓7.98107毫米的下撓量；但是，在1、2號橋墩同時沉降時，2號橋墩的邊跨跨中才會有一個下撓，當只有1號橋墩沉降時，2號橋墩的邊跨跨中會形成一個上撓，并且隨著橋墩的沉降量增加其上撓也是線性變化著增加，即每增加10毫米的沉降量便上撓0.47214毫米的上撓量；當只有1號橋墩產生沉降的時候，剛構橋的中跨跨中的撓度下降量是線性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便會下撓5.88849毫米的下撓量；當1、2號橋墩同時下沉的時候，剛構橋的中跨跨中的撓度下降量是也是線性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便會下撓11.4367毫米的下撓量；同時，也可以分析出當1、2號橋墩同時沉降的時候的撓度是1號橋墩沉降時候的撓度的1.94倍，猜測可能是由于支座沒有同時沉降的原因導致撓度不是2倍。

表4 跨中撓度的具體變化值

4 結論

本文通過MIDASCivil建立有限元單元模型，主要分析連續剛構橋的自重以及基礎不均勻沉降對撓度的影響，并且得出以下結論，對類似橋梁的撓度分析和施工方案制定具有理論的參考價值。

①通過對不同位置的撓度模擬分析，可知橋梁的邊跨和中跨的跨中撓度對橋梁的整體結構的影響非常之大，即讓施工者清楚明白的了解了關于撓度對橋梁的施工過程之中的重要性，并且主要的分析和研究影響關于橋梁撓度原因的重要因素；

②通過橋梁主梁自重對橋梁撓度的數據結果分析，其中自重引起的比較大的撓度值主要集中在邊跨跨中和中跨跨中的左右兩側；并且當混凝土的自重按1%的重量增加時，那與原來相比多出來的1%重量就會使不同節點混凝土撓度按照一定量的位移下降；

③通過基礎不均勻沉降對橋梁撓度的數據結果分析，當1、2號橋墩同時沉降的時候的撓度是1號橋墩沉降時候的撓度的1.94倍，同時會形成基礎不均勻沉降的最大的撓度值；當只有一側橋墩沉降時，最大的下撓度即為橋墩的沉降量，而使得一個橋墩的邊跨形成一定程度的上撓度，并且上撓度的絕對值只有下撓度的而絕對值的5.8%。