預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度仿真模型分析

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100102)

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、受力性能好、變形小、伸縮縫少、行車平順舒適、造型簡(jiǎn)潔美觀、養(yǎng)護(hù)工程量小、抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。

在我國較大的橋梁中，黃石長江大橋、虎門大橋輔航道橋均采用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型，其中黃石長江大橋主跨達(dá)到了245 m，虎門大橋輔航道橋主跨達(dá)到了270 m。但是，隨著跨越能力的增大，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋自身存在的一些不可忽視的問題也逐漸顯露出來，并表現(xiàn)出隨著跨徑的增大呈加劇惡化的趨勢(shì)［2］。這其中影響最大的就是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在服役過程中主跨跨中下?lián)贤瑫r(shí)伴隨大量斜裂縫出現(xiàn)的問題?？缰械拇蠓认?lián)蠒?huì)嚴(yán)重影響橋梁的行車舒適性甚至結(jié)構(gòu)的受力性能。

東莊禾5號(hào)橋位于京承高速公路密云沙峪溝—市界段K122+026.80處，主橋?yàn)?8 m+88 m+48 m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面單幅寬13 m。下部結(jié)構(gòu)為雙薄壁矩形實(shí)心墩，群樁基礎(chǔ)。主梁的截面形式為單箱雙室箱形截面。箱梁頂板寬12.7 m，底板寬8.7 m，翼緣板懸臂長為2.0 m。箱梁在橋墩處高5.0 m，在跨中處高2.2 m。墩頂0號(hào)塊設(shè)兩道厚1.2 m的橫隔板，邊跨端部設(shè)厚1.5 m的橫隔板，其余部位均不設(shè)橫隔板。箱梁的施工采用掛籃懸臂澆筑法進(jìn)行。箱梁在兩個(gè)橋墩的墩頂各設(shè)置一個(gè)0號(hào)塊，0號(hào)塊長6 m。從0號(hào)塊向兩側(cè)各設(shè)置11個(gè)懸澆節(jié)段，各現(xiàn)澆節(jié)段的長度為3×3 m+2×3.5 m+6×4 m。東莊禾5號(hào)橋總體布置如圖1所示。

圖1 東莊禾5號(hào)橋總體布置圖

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度分析

連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)拱度稱之為制作預(yù)拱度，制作預(yù)拱度分為施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度兩個(gè)部分。其中施工預(yù)拱度是指在節(jié)段施工過程中，為抵消各種因素對(duì)各箱梁現(xiàn)澆節(jié)段在相應(yīng)階段產(chǎn)生的總位移而設(shè)置的預(yù)拱度。影響箱梁現(xiàn)澆節(jié)段位移的因素有:箱梁各節(jié)段的結(jié)構(gòu)自重、箱梁混凝土施工階段產(chǎn)生的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力筋束張拉產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力、掛籃和模板的重量、二期恒載等。施工預(yù)拱度可以通過建立有限元仿真模型模擬各施工階段計(jì)算得到。成橋預(yù)拱度是指主梁及主梁上的附屬結(jié)構(gòu)物施工完成后，為抵消橋梁服役階段各種因素對(duì)橋梁線形的影響而設(shè)置的預(yù)拱度。橋梁服役階段影響主梁線形的各種因素包括主梁混凝土服役階段的收縮徐變、結(jié)構(gòu)的自重、結(jié)構(gòu)上承受的活荷載等。成橋預(yù)拱度可以通過建立一次成橋有限元仿真模型，按曲線分配等方法得到。東莊禾5號(hào)橋的成橋預(yù)拱度就是按照曲線分配方法設(shè)置得到。

采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，在分析施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度時(shí)，主要考慮的影響因素如表1所示。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度設(shè)置影響因素

成橋預(yù)拱度和施工預(yù)拱度的理論表達(dá)式如下所列:

3 有限元仿真模型的建立

東莊禾5號(hào)橋有限元仿真模型的建立運(yùn)用大型有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件邁達(dá)斯Civil進(jìn)行。模型的總體情況為:主梁懸臂澆筑節(jié)段每個(gè)節(jié)段劃分為1個(gè)單元;主梁0號(hào)塊、邊跨現(xiàn)澆段和三個(gè)合龍段根據(jù)梁體的截面變化特點(diǎn)及計(jì)算精度的需要?jiǎng)澐譃?個(gè)單元;主墩根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將每個(gè)薄壁墩體劃分為1個(gè)單元，共計(jì)4個(gè)單元。由于建模的目的是分析主梁在施工過程中的預(yù)拱度設(shè)置問題，全橋模型共劃分為68個(gè)單元，其中上部結(jié)構(gòu)64個(gè)單元，下部4個(gè)單元。

作用在模型上的荷載主要分為三個(gè)部分考慮。

第一部分是靜荷載，靜荷載包括鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)自重、混凝土的收縮徐變作用、預(yù)應(yīng)力等。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的各項(xiàng)參數(shù)及主梁混凝土的收縮徐變按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［4］的規(guī)定取值。

第二部分是動(dòng)荷載，動(dòng)荷載主要考慮汽車荷載。汽車荷載按照J(rèn)TG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中的規(guī)定取定。

第三部分是施工荷載。施工荷載主要考慮掛籃荷載和主梁合龍時(shí)的配重荷載。其中掛籃荷載按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑膾旎@質(zhì)量參數(shù)580 kN取值，并確定掛籃支點(diǎn)的作用點(diǎn)。配重按290 kN計(jì)算。

建立模型時(shí)各單元的橫截面按實(shí)際尺寸參與計(jì)算，齒板按施工階段分別作用考慮。

在邊界條件方面，除了墩身單元的下節(jié)點(diǎn)被固結(jié)外，主梁兩端節(jié)點(diǎn)設(shè)置為通過可以在模型平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸與剛體連接。

建立完成的東莊禾5號(hào)橋有限元仿真模型總體情況如圖2所示。

圖2 Midas分析的計(jì)算模型圖

4 模型計(jì)算結(jié)果和討論

通過模型計(jì)算，可以得到主梁各節(jié)段在施工過程中的施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度。主梁施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度的最終變形曲線如圖3所示。

圖3 東莊禾5號(hào)橋預(yù)拱度

在計(jì)算過程中，因?yàn)楹笃谑湛s徐變與活載作用產(chǎn)生的主梁豎向位移最大值的發(fā)生位置相似，中跨二者的最大值都發(fā)生在跨中，邊跨二者的最大值都發(fā)生在距邊跨起點(diǎn)0.35倍邊跨跨徑處，所以在監(jiān)控過程中通常將二者以成橋預(yù)拱度形式一并分配于橋梁中跨及邊跨，而不予分別計(jì)算。根據(jù)多座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋后期主梁變形的觀測(cè)數(shù)據(jù)，成橋預(yù)拱度中跨最大值通常取為中跨跨徑的1/1500～1/1000，邊跨最大值通常取為中跨最大值的1/3～1/4左右。東莊禾5號(hào)橋邊跨的成橋預(yù)拱度取為3 cm，最大值點(diǎn)出現(xiàn)在邊跨的0.35處。中跨的成橋預(yù)拱度為9 cm，約為中跨跨徑的1/3000，最大值點(diǎn)出現(xiàn)在中跨的跨中處。

5 結(jié)語

東莊禾5號(hào)橋從跨徑和長度上來說均算不上大型橋梁，該橋在施工過程中的監(jiān)控亦不復(fù)雜。但從預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的角度來說，對(duì)該橋在施工過程中和服役后一段時(shí)間內(nèi)的主梁撓度進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控和研究，對(duì)于解決預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系膯栴}仍具有重要的意義。希望本次東莊禾5號(hào)橋的監(jiān)控案例能對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的理論研究作出貢獻(xiàn)。

［1］柳學(xué)發(fā).大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用和發(fā)展［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1999(1):3-4.

［2］馬保林.高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

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

［5］向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.