尼穎升，李金凱，惠迎新

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

0 引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，在結(jié)構(gòu)方面，整體性能好，抗震能力強(qiáng)，抗扭潛力大；在施工方面，梁段懸臂澆筑減少施工體系轉(zhuǎn)換，維護(hù)簡單；在外形方面，橋體簡潔明快，橋上視野開闊，橋面行車舒適。該類橋梁還具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，適合于兩邊都是陡壁的V形峽谷地形。高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋在近十幾年得到廣泛地應(yīng)用。由于主梁和墩臺之間的連接是剛性連接，在使用雙墩薄壁墩后，墩頂附近的負(fù)彎矩減少，并且跨中的正彎矩也減少。由于該結(jié)構(gòu)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，對于溫度變化、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力作用和墩臺不均勻沉降等因素比較敏感，從而導(dǎo)致應(yīng)力重分布，引起的附加內(nèi)力對結(jié)構(gòu)影響較大。因此，對于預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)以及施工過程的研究顯得尤為重要。連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨中下?lián)弦呀?jīng)成為一種普遍現(xiàn)象。如主跨270 m的虎門大橋輔航道橋，至2002年10月，已下?lián)狭?7 cm；主跨245 m的黃石長江大橋，跨中嚴(yán)重下?lián)希畲筮_(dá)到32 cm。這些連續(xù)剛構(gòu)橋后期下?lián)线^大，不僅嚴(yán)重影響外觀，對其受力也將產(chǎn)生一定的影響，從而對橋梁的使用年限也會產(chǎn)生不利的影響。所以，對于大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)拱度的分析和設(shè)置需要認(rèn)真對待。本文利用空間大型有限元軟件MIDAS/Civil對澗口河特大橋主橋進(jìn)行施工階段分析，并且對其在施工階段預(yù)拱度進(jìn)行分析和設(shè)置，對連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)控提出相應(yīng)的意見。

1 工程概況

澗口河特大橋是新建在寶漢高速千陽縣南寨鎮(zhèn)陽坡村上跨澗口河的一座特大橋梁，橋梁全長1118.0 m，最大橋高118 m，主橋最大墩高108 m，其中主橋?yàn)榱珙A(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，主橋上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為(85+4×160+85)m，邊跨與中跨之比為0.531，主墩處梁高9.5 m，梁高與主跨之比1/16.84；邊跨直線段和主跨跨中合龍段梁高為3.5 m，梁高與跨徑之比1/45.17。趙家塬大橋位于千陽縣崔家頭鎮(zhèn)趙家塬村西北，平面位于半徑R=2850 m，Ls=300 m的左偏圓曲線和緩和曲線上。橋梁全長388.0 m,最大橋高88.6 m，主橋最大墩高49.0 m。其中主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，主橋上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為(75+140+75)m，邊跨與中跨之比為0.536，主墩處梁高8.0 m，梁高與主跨之比1/17.5；邊跨直線段和主跨跨中合龍段梁高為3.0 m，梁高與跨徑之比1/46.67；主橋橫斷面采用單箱單室箱梁，箱梁全寬13 m，每個(gè)箱梁底寬7 m，設(shè)計(jì)荷載均為公路一級。立面布置如圖1、圖2所示。

2 預(yù)拱度的計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法簡介

連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制的常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法有正裝計(jì)算法(簡稱正算法)和倒裝計(jì)算法(簡稱倒拆法)。正裝計(jì)算法是按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序來進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，它能較好地?cái)M合橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工歷程；倒裝計(jì)算法是按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序的逆過程來進(jìn)行結(jié)構(gòu)行為分析。

兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)很明顯，倒拆法雖然可以根據(jù)理想的成橋狀態(tài)反推各施工階段合理的控制參數(shù)，使施工控制計(jì)算工作概念明確、方向性強(qiáng)，但是其面臨的混凝土收縮徐變的計(jì)算問題和初始應(yīng)力的確定問題是無法克服的。正算法的不足之處是初始標(biāo)高的確定，但這個(gè)缺點(diǎn)是可以克服的。正算法理論計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的不符，類似于彈塑性力學(xué)中的“小應(yīng)變大位移”問題，可以用迭代法進(jìn)行解決。而且，通過試算可知，即使不考慮修正，由于連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其引起的誤差也非常小，可以忽略不計(jì)。所以本文的分析計(jì)算采用正裝計(jì)算法。

2.2 有限元模型

澗口河特大橋主橋采用空間梁單元模型，各懸臂施工階段離散為梁單元，兩個(gè)主墩底部視為固定支座，兩個(gè)邊跨端視為活動(dòng)鉸支座。整個(gè)橋梁離散為465個(gè)梁單元，483個(gè)節(jié)點(diǎn)。趙家塬大橋整個(gè)橋梁離散為148個(gè)梁單元，167個(gè)節(jié)點(diǎn)。兩座橋均采用懸臂澆注方法施工，每個(gè)節(jié)段的施工順序?yàn)椋喊惭b掛籃、立模—澆注混凝土—養(yǎng)護(hù)—張拉預(yù)應(yīng)力筋—掛籃前移。兩座橋計(jì)算實(shí)際均劃分為24個(gè)施工階段和一個(gè)運(yùn)營階段，嚴(yán)格和實(shí)際施工狀態(tài)相對應(yīng)。其成橋結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3、圖4。

在MIDAS軟件計(jì)算中，采用等效荷載法計(jì)算預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力鋼束在有限元程序中的描述采用兩個(gè)步驟。首先在局部坐標(biāo)系下描述預(yù)應(yīng)力鋼束幾何尺寸和形狀，然后定義局部坐標(biāo)和總體坐標(biāo)系的方位。主墩橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束按等截面原則把頂板束和底板束分別合并為一束，左腹板束和右腹板束分別合并為一束，除此之外的預(yù)應(yīng)力鋼束皆按設(shè)計(jì)圖中的坐標(biāo)逐根輸入。計(jì)算荷載包括恒載、活載(公路-I級荷載)、基礎(chǔ)變位力、溫度荷載和預(yù)加力等。其中，溫度荷載項(xiàng)按規(guī)范規(guī)定溫度場進(jìn)行局部溫差效應(yīng)計(jì)算，體系整體升溫按24℃，體系整體降溫按20℃計(jì)入，自重根據(jù)結(jié)構(gòu)的密度和體積由計(jì)算軟件自動(dòng)計(jì)算。二期恒載考慮了防護(hù)欄桿、鋪裝層、人行道板等的重量，按均布荷載施加。

2.3 施工預(yù)拱度的計(jì)算

本文所采取的預(yù)拱度計(jì)算公式為：

式（1）中：ygi——i點(diǎn)的預(yù)拱度；

fi——由徐變、收縮、溫度、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、二期恒載、活載等影響，在i點(diǎn)產(chǎn)生的撓度計(jì)算值之和；

fiy——本施工階段及以后各施工階段，張拉預(yù)應(yīng)力束對i點(diǎn)撓度影響值之和；

fim——掛籃彈性變形對該施工段的影響值，在掛籃設(shè)計(jì)和加載試壓后得出；

Fi——本施工階段及以后澆注的各梁段施工臨時(shí)荷載，對i點(diǎn)撓度影響值之和。

其中fm的值是根據(jù)施工單位所做的掛籃加載試驗(yàn)，綜合各項(xiàng)測試結(jié)果，最后繪制出掛籃荷載—撓度曲線，進(jìn)行內(nèi)插而得，在施工過程中還須實(shí)測后進(jìn)行修正。

懸臂澆注的各節(jié)段立模標(biāo)高為：

式（2）中：Hi——i點(diǎn)的立模標(biāo)高；

hi——i點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高。

由公式可知預(yù)拱度是根據(jù)結(jié)構(gòu)施工過程中的撓度值來確定的。在懸臂現(xiàn)澆施工之前，準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)施工階段的撓度值是計(jì)算預(yù)拱度的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)撓度的計(jì)算主要有三種方法，即相對撓度法(長線法)、短線法和絕對撓度法。本文的計(jì)算采取了絕對撓度法，也就是i梁段只有在立模以后才會有撓度，各節(jié)段撓度相互獨(dú)立，節(jié)段撓度就等于本節(jié)段施工過程中產(chǎn)生的撓度，不存在統(tǒng)一的基線。與其他兩種方法相比，絕對撓度法的優(yōu)點(diǎn)在于后序節(jié)段的施工不受前面節(jié)段施工誤差的影響，而且每一節(jié)段的立模過程都是對前面施工階段產(chǎn)生的偏差的修正過程，因此計(jì)算方便，不易出錯(cuò)，且精度較高。

3 施工控制結(jié)果

通過對澗口河特大橋和趙家源大橋模擬的施工階段分析模型，根據(jù)式(1)分析可得到施工預(yù)拱度；成橋預(yù)拱度由設(shè)計(jì)單位提供；預(yù)拱度比較曲線如圖5、圖6所示。在施工過程中，每個(gè)節(jié)段的立模標(biāo)高，即是制作預(yù)拱度與橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高之和。

在兩個(gè)模型中對50～60節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，其中恒荷載、鋼束一次、徐變一次在二期鋪裝完后節(jié)點(diǎn)的豎向累計(jì)位移數(shù)據(jù)與施工預(yù)拱度對比如表1、表2所示。

表1 澗口河節(jié)點(diǎn)豎向累計(jì)位移與施工預(yù)拱度對比

表2 趙家塬節(jié)點(diǎn)豎向累計(jì)位移與施工預(yù)拱度對比

4 結(jié)論及建議

通常橋梁軸線為三條：第一條是橋梁設(shè)計(jì)軸線；第二條是橋梁成橋軸線，比第一條高，因?yàn)楸仨氼A(yù)留出后期運(yùn)營過程中產(chǎn)生的下?lián)现?；第三條是收縮徐變完成后橋梁軸線。由以上模型分析可知，當(dāng)橋梁建成時(shí)的橋梁軸線滿足成橋軸線，再當(dāng)收縮徐變基本完成后的橋梁軸線與橋梁設(shè)計(jì)軸線相吻合，這也就是施工控制通過設(shè)置預(yù)拱度使之滿足最終目的。此外梁體在施工過程中受內(nèi)外各種荷載的影響及自重荷載作用下，豎向下?lián)献冃问窍喈?dāng)大的；而預(yù)應(yīng)力鋼束作用下豎向上拱變形占了絕對的比重。所以在仿真模型分析過程中，參數(shù)的確定需要相當(dāng)慎重，不能忽視預(yù)應(yīng)力等因素對梁體的影響，特別是運(yùn)營階段中后期收縮徐變對橋梁的線性尤為重要，對設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)拱度對橋梁的合理受力就顯得必不可少。事實(shí)同時(shí)表明，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營后，梁體變形過大，不僅僅對外觀有影響，對其受力也將產(chǎn)生相應(yīng)的影響。許多橋梁上部結(jié)構(gòu)證明，跨中下?lián)虾徒Y(jié)構(gòu)裂縫是相互影響并促進(jìn)惡化的，所以應(yīng)注意到以下幾個(gè)方面：

（1）通過兩種不同跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度計(jì)算比較表明，主跨越大，跨中預(yù)拋高越大。實(shí)際情況表明，運(yùn)營過程中剛構(gòu)橋的跨中下?lián)虾艽?，尤其是主跨?00 m左右的剛構(gòu)橋，下?lián)隙戎岛茈y控制。因此，在施工過程中，邊跨現(xiàn)澆段，中跨合龍段及每階段立模標(biāo)高要嚴(yán)格控制。

（2）現(xiàn)有混凝土收縮徐變預(yù)測模型及計(jì)算分析模型時(shí)不準(zhǔn)確；施工節(jié)段工期過短，混凝土齡期過短，彈性模量未達(dá)到要求就張拉，其后期徐變可能偏大。從眾多已修建的連續(xù)剛構(gòu)橋發(fā)現(xiàn)對混凝土收縮徐變的影響及長期性嚴(yán)重估計(jì)不足，下?lián)线^大，說明可能預(yù)拱度設(shè)置偏小。雖然預(yù)拱度可以抵消部分下?lián)?，但是絲毫不能減少徐變產(chǎn)生的撓度。對于大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工各階段收縮徐變的機(jī)理對結(jié)構(gòu)的影響需要更深入的認(rèn)識。

（3）仿真模型與現(xiàn)場實(shí)際施工情況應(yīng)該相協(xié)調(diào)，及時(shí)調(diào)整模型，重新分析數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的預(yù)拱度，調(diào)整立模標(biāo)高；規(guī)范施工工藝，避免產(chǎn)生不必要的誤差。如預(yù)應(yīng)力張拉，對于梁體受力尤為重要，因?yàn)槭┕ぶ械哪承┎蛔?，造成張拉過程中預(yù)應(yīng)力伸長量不足或預(yù)應(yīng)力損失過大，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，這些是值得施工單位尤為注意的地方。

（4）由于成橋線性上拱，而且上拱的數(shù)值會比較大，勢必會為以后的橋面鋪裝帶來問題。因?yàn)槌蓸虻木€性要平順，而且還要考慮與路線的交接，并且對以后運(yùn)營階段的行車舒適度也有一定的影響，故有必要研究改進(jìn)橋梁線性平順度。

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[2]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

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