周葉飛 姚方舟

(深圳市公路交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，廣東深圳 518049)

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁的結(jié)構(gòu)形式逐漸向高墩柱、大跨度和輕結(jié)構(gòu)的方向轉(zhuǎn)變，懸臂掛籃施工借助其自身得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受橋梁設(shè)計(jì)者所追捧和青睞，特別是應(yīng)用于超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過(guò)程中，從而開(kāi)創(chuàng)了大跨度混凝土梁橋的新紀(jì)元。在我國(guó)西部山區(qū)，由于需要跨越峽谷，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在跨度和墩身高度上都有了非常大的提高。近年來(lái)，國(guó)家大力支持西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，西部多高山、多河流，山巒地貌的起伏波動(dòng)很大，為了改善交通，修建在深谷之間的高墩和超高墩大跨徑橋梁也日漸增多，從而給高墩和超高墩大跨度橋梁的發(fā)展帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在多年的建造過(guò)程中，翻模、爬模和滑模等施工技術(shù)的發(fā)展及改良，使高墩和超高墩橋梁建設(shè)走上了新的舞臺(tái)。

高墩的縱橫向風(fēng)載、高墩日照溫差空間扭曲、高墩的特柔性等方面對(duì)主結(jié)構(gòu)的影響的復(fù)雜問(wèn)題沒(méi)有現(xiàn)成的資料可遵循，有待探索、研究，為了確保薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的安全使用，高墩的偏位是施工控制的關(guān)鍵。合理的對(duì)比高墩與超高墩參數(shù)敏感性分析，有利于將來(lái)施工中墩高處于該范圍內(nèi)的參照。

本章結(jié)合赫章特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃饕紤]溫度荷載、風(fēng)荷載以及混凝土收縮徐變對(duì)薄壁超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋偏位的計(jì)算方法、內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行了探討。

1 工程概況

文章以畢節(jié)至威寧高速公路第六合同段的赫章特大橋?yàn)楸尘?，該橋?yàn)楫呁€的主要控制性工程。主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道高速公路，時(shí)速80 km/h，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速24．7 m/s。赫章特大橋路線按整幅設(shè)計(jì)，主橋平面位于直線上，縱面位于縱坡為1．0%的直線坡上。本橋主要是為跨越赫章后河而設(shè)，所處位置地形復(fù)雜，溝谷深切。大橋全長(zhǎng)552 m，分為左右兩幅，該橋上部結(jié)構(gòu)采用(96+2×180+96)m預(yù)應(yīng)力箱型梁連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面寬度24．5 m，主墩墩身高195 m，為同類(lèi)型橋梁中之最，橋型總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 赫章特大橋主橋布置圖（單位：cm）

2 采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型分析

通過(guò)建立大橋整體模型和主墩實(shí)體模型，采用六個(gè)工況來(lái)分析各因素對(duì)施工控制的影響。為了便于與赫章特大橋的超高墩做對(duì)比，高墩的高度采用100 m。

由于赫章特大橋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主墩195 m為世界同類(lèi)型橋之最，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，本文采用BDCMS軟件對(duì)全橋建立了平面桿系模型計(jì)算，將整體橋梁結(jié)構(gòu)劃分成228個(gè)節(jié)點(diǎn)、237個(gè)單元，主梁結(jié)構(gòu)材料為C55混凝土，采用梁?jiǎn)卧M主梁與主墩，帶剛臂的單元模擬合龍段的剛性支撐，索單元模擬預(yù)應(yīng)力筋。

程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力的模擬:先輸入預(yù)應(yīng)力束的導(dǎo)線點(diǎn)，賦予其相應(yīng)的參數(shù)，如張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力筋截面面積等，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，參數(shù)分析應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力損失，計(jì)算出預(yù)應(yīng)力鋼束在各個(gè)位置處的有效預(yù)應(yīng)力值。因預(yù)應(yīng)力鋼束以索單元形式布置在整體結(jié)構(gòu)體系中，與梁?jiǎn)卧餐瑓⑴c受力，所以在程序計(jì)算過(guò)程中會(huì)自動(dòng)考慮混凝土收縮徐變損失和彈性壓縮損失，因此，預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算僅考慮摩阻損失、鋼絲松馳損失和錨固回縮損失。

采用有限元軟件ANSYS10．0建立主墩的有限元模型，根據(jù)主墩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受力形式和布載情況進(jìn)行離散，結(jié)構(gòu)共分560個(gè)節(jié)點(diǎn)，主墩材料特性表如表1所示。

表1 主墩材料特性一覽表

計(jì)算模型主要考慮下部結(jié)構(gòu)，墩底采用全部固結(jié)約束，采用實(shí)體單元Soild45作為混凝土截面。計(jì)算的有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 赫章特大橋主墩有限元模型圖

由于當(dāng)?shù)貢円箿夭钐貏e大，且該特大橋跨越峽谷建造，所以荷載因素主要考慮當(dāng)?shù)氐娜照諟囟群惋L(fēng)速。

工況一:實(shí)測(cè)溫度荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對(duì)比情況;

工況二:設(shè)計(jì)極端最高溫度荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對(duì)比情況;

工況三:在墩頂，于橋中心線對(duì)稱(chēng)的四個(gè)角點(diǎn)位置設(shè)置棱鏡，通過(guò)全站儀在橫橋向?qū)χ鞫者M(jìn)行24 h的連續(xù)觀測(cè)，測(cè)量時(shí)間從下午14點(diǎn)到晚上23點(diǎn);

工況四:設(shè)計(jì)最大風(fēng)速為28．1 m/s，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成風(fēng)荷載為0．43 kN/m，在此荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對(duì)比情況;

工況五:通過(guò)對(duì)主梁全截面埋設(shè)溫度傳感器，分析195 m超高墩和100 m高墩，主梁合龍后在溫度影響下的位移對(duì)比情況;

工況六:合龍后考慮收縮徐變五年和不考慮收縮徐變作用下，分析對(duì)比195 m超高墩主梁的位移情況;

其中，主梁截面埋設(shè)溫度傳感器的布置圖如圖3，圖4所示。

圖3 威寧岸溫度傳感器布置圖

圖4 畢節(jié)岸溫度傳感器布置圖

合龍時(shí)溫度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 赫章特大橋合龍時(shí)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度值 ℃

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算分析可得到，各個(gè)工況作用下的位移結(jié)果，如圖5～圖10所示。

由工況一的計(jì)算結(jié)果可知，高墩100 m的最大偏位僅為1．73 mm，而超高墩195 m的最大偏位達(dá)到7．38 mm，且位移呈非線性趨勢(shì)增長(zhǎng)。

圖5 工況一

圖6 工況二

圖7 工況三

圖8 工況四

圖9 工況五

圖10 工況六

由工況二的計(jì)算結(jié)果可知，100 m高墩的最大偏位為7 mm，而195 m超高墩的最大偏位達(dá)到26 mm。

工況三，由圖7可以得知，195 m超高墩橫橋向的實(shí)測(cè)最大位移值接近7 mm，和工況一理論計(jì)算荷載作用下的最大位移值比較接近。

由工況四的計(jì)算結(jié)果可知，100 m高墩的最大偏位為0．1 mm，而195 m超高墩的最大偏位也只有近0．7 mm。

工況五表明，合龍后溫度荷載作用下，195 m超高墩主梁的位移比100 m高墩主梁的位移大，在跨中位置位移值相差2 mm。

工況六表明，考慮混凝土收縮徐變五年作用下，主梁的(什么位置)累積位移與不考慮混凝土收縮徐變作用下相差20 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超高墩與高墩在相同荷載作用下，分工況進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)超高墩采用全站儀監(jiān)測(cè)，以保障足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行了逐一詳細(xì)剖析，得出如下結(jié)論:1)以薄壁超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合赫章特大橋的工程實(shí)際，利用有限元的計(jì)算方法對(duì)超高墩在實(shí)測(cè)溫度、極限最高溫度以及極限最大風(fēng)速工況下進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)位移值與實(shí)測(cè)溫度作用下的理論位移值對(duì)比，得出赫章特大橋受荷載作用下偏位滿足要求，可用于施工控制，也說(shuō)明溫度對(duì)超高墩偏位影響較大，且較風(fēng)荷載明顯。2)合龍前后，相同條件下墩身越高，受荷載作用下的敏感程度越明顯，變形越明顯，且呈非線性趨勢(shì)增加，印證了薄壁高墩的柔性桿理論體系。3)通過(guò)將設(shè)計(jì)最大風(fēng)速換算成荷載加入有限元模型中，計(jì)算得出風(fēng)荷載對(duì)超高墩偏位的影響非常小，幾乎可以忽略。4)混凝土收縮徐變對(duì)主梁的線形有一定的影響，隨著時(shí)間的增加，其作用效應(yīng)越明顯，在施工控制中影響越突出，其產(chǎn)生的主梁累積位移呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

［1］ 汪維安．高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變效應(yīng)分析［D］．長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005．

［2］ 陳常松，姚方舟，袁 明．超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005．

［3］ 涂光亞，顏東煌，田仲初，等．溫度影響線膨脹系數(shù)的識(shí)別方法［J］．中外公路，2002，22(6):37-38．

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［6］ Sivakumaran KS．Analysis of Concrete Structures Subjected to Sustained Temperature Gradients［J］．Can Journal Civil Eng［J］．1985，11(3):404-410．