高墩單T構(gòu)橋合理成橋線型優(yōu)化

李 寧，代鈞元

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400010)

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高墩單T構(gòu)橋合理成橋線型優(yōu)化

李 寧1，代鈞元2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400010)

高墩大跨度單T構(gòu)橋在現(xiàn)階段橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但目前關(guān)于單T構(gòu)橋成橋線型控制的研究較少。文章運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析，并對(duì)混凝土收縮徐變、墩高、跨徑等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。分析研究表明：混凝土收縮徐變100年成橋線型仍然在下?lián)献兓?，成橋初期影響較大，成橋后期影響較?。桓叨諏?duì)成橋線型的影響很大，在對(duì)線型的施工監(jiān)控中要引起重視；單T構(gòu)橋最大下?lián)宵c(diǎn)的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間。

單T構(gòu)橋；收縮徐變；墩高；跨徑；預(yù)拱度；成橋線型；仿真分析

0 引言

由于預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋跨越能力大、受力合理、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能好，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，橋面連續(xù)行車平緩舒適，造型較簡(jiǎn)單，建設(shè)投資、后期的養(yǎng)護(hù)

費(fèi)用及技術(shù)復(fù)雜程度比同跨徑的斜拉橋和懸索橋要低，近年來在道路橋梁建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于懸臂施工法是建造預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋最常用的施工方法，因此施工監(jiān)控中線型控制問題是這類橋梁施工過程中的關(guān)鍵性問題之一[1，2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋做了大量研究，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制理論與方法[3，4]及預(yù)拱度的設(shè)置方法[5，6]做了詳細(xì)的介紹，同時(shí)對(duì)線型的誤差因素以及參數(shù)的敏感性[7，8]進(jìn)行了分析。但是對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土單T構(gòu)橋的研究卻很少，本文分別以40 m、90 m、115 m跨徑的某三座大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析，并對(duì)混凝土收縮徐變、墩高、跨徑等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得到對(duì)于單T構(gòu)橋下?lián)系淖畲笪恢命c(diǎn)以及各參數(shù)對(duì)成橋線型的影響，從而進(jìn)行合理成橋線型優(yōu)化。

1 合理成橋線型參數(shù)優(yōu)化

敏感性分析是指從定量分析的角度研究有關(guān)因素發(fā)生某種變化對(duì)某一個(gè)或一組關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的一種不確定分析技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是通過逐一改變相關(guān)變量數(shù)值的方法來解釋關(guān)鍵指標(biāo)受這些因素變動(dòng)影響大小的規(guī)律。本文對(duì)混凝土收縮徐變、墩高、跨徑三個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析，從而得到對(duì)成橋線型的影響。

橋梁結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算通常采用有限元法進(jìn)行分析，主要是對(duì)各節(jié)段施工工況下的相應(yīng)截面的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析，作為施工監(jiān)控的依據(jù)。施工監(jiān)控過程中，最關(guān)鍵的是要能較為真實(shí)地對(duì)實(shí)際的施工過程進(jìn)行軟件模擬，準(zhǔn)確計(jì)算出預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變等因素引起的變形和應(yīng)變。因此為完善結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型，計(jì)算中要充分考慮混凝土的收縮、徐變、環(huán)境溫度、濕度以及預(yù)應(yīng)力荷載等因素對(duì)施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的影響，從而使軟件計(jì)算的結(jié)果與橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能更為接近。

1.1 混凝土收縮徐變持荷時(shí)間對(duì)線型的影響

本文分別以40 m、90 m、115 m跨徑的某三座大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析，其立面、橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型立面、橫斷面示意圖

對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言，混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力有較大的影響，尤其是對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)橋，影響混凝土收縮徐變的因素有很多，主要有混凝土原材料及配合比、加荷齡期、持荷時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度與溫度、結(jié)構(gòu)尺寸等。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(ITG D60-2004)1.0.6規(guī)定：公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年[9]，因此本文以成橋1～100年內(nèi)的混凝土收縮徐變對(duì)線型(墩頂)的影響作分析研究。

通過MIDAS/CIVIL軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知：從成橋開始到成橋100年，混凝土收縮徐變影響下的墩頂位移一直在不斷增大，40 m、90 m、115 m跨徑成橋100年混凝土收縮徐變?cè)斐啥枕斚聯(lián)衔灰品謩e為-4.07 mm、-7.99 mm、-30.85 mm；成橋10年墩頂位移變化量分別為-1.58 mm、-3.79 mm、-16.84 mm；成橋10～100年墩頂位移變化量分別為-2.49 mm、-4.20 mm、-14.01 mm。見下頁表1、圖2。

通過對(duì)表1、圖2中混凝土收縮徐變影響下的不同成橋階段墩頂位移及位移變化量研究分析，可得：混凝土收縮徐變100年成橋線型仍然在下?lián)献兓怀蓸虺跗?一般為10年內(nèi))每年的位移變化快，下?lián)陷^大，混凝土收縮徐變對(duì)線型影響較大；成橋后期(一般為10～100年)位移變化量逐年減小，下?lián)暇徛炷潦湛s徐變對(duì)線型影響逐年減小。因此，在施工監(jiān)控中運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析時(shí)，在公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年的前提下，混凝土收縮徐變時(shí)間參數(shù)應(yīng)設(shè)置為100年，以最大可能降低混凝土收縮徐變對(duì)成橋線型的影響。

表1 混凝土收縮徐變影響下墩頂位移隨成橋時(shí)間變化表

圖2 混凝土收縮徐變單獨(dú)階段影響下墩頂位移隨成橋時(shí)間變化曲線圖

1.2 墩高對(duì)線型的影響

高墩大跨度單T構(gòu)橋在現(xiàn)階段橋梁建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，由于在施工中主梁和墩之間常采用剛性連接，因此在施工監(jiān)控中除考慮主梁的線型變化外，還應(yīng)該考慮高墩對(duì)目標(biāo)線型的影響。由于對(duì)溫度、濕度變化、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力作用等因素比較敏感，所以不同的墩高對(duì)成橋線型的影響是不同的，本文對(duì)40 m、80 m、120 m墩高進(jìn)行研究分析。

通過MIDAS/CIVIL軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知：40 m跨徑單T構(gòu)橋，墩高40 m墩沉降-15.17 mm，墩高80 m墩沉降-38.28 mm，比40 m墩高沉降量增加-23.11 mm，墩高120 m墩沉降-60.32 mm，比80 m墩高沉降量增加-22.04 mm；90 m跨徑單T構(gòu)橋，墩高40 m墩沉降-14.86 mm，墩高80 m墩沉降-33.06 mm，比40 m墩高沉降量增加-18.20 mm，墩高120 m墩沉降-54.60 mm，比80 m墩高沉降量增加-21.54 mm；115 m跨徑單T構(gòu)橋，墩高40 m墩沉降-25.00 mm，墩高80 m墩沉降-54.00 mm，比40 m墩高沉降量增加-29.00 mm，墩高120 m墩沉降-85.42 mm，比80 m墩高沉降量增加-31.42 mm。見表2、圖3。

表2 不同墩高影響下墩頂位移變化表

圖3 不同墩高影響下墩頂位移沉降量曲線圖

通過對(duì)表2、圖3墩頂沉降位移曲線的變化，可得：同一跨徑墩越高，墩沉降位移越大，墩的沉降速度越快；雖然墩越高墩的沉降速度越快，但每增加40 m墩高，沉降速度變化值卻很小，因此可近似認(rèn)為同一跨度墩高的沉降速度值是一個(gè)常數(shù)，可得墩高和沉降位移的表達(dá)式：y=kh,k為常數(shù)?？傊叨諏?duì)成橋線型的影響很大，在對(duì)線型的施工監(jiān)控中要引起足夠的重視。

1.3 跨徑對(duì)線型的影響

現(xiàn)階段對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的研究與應(yīng)用較多，研究表明連續(xù)剛構(gòu)橋的最大下?lián)宵c(diǎn)在中跨跨中位置，而對(duì)大跨度的單T構(gòu)橋的最大下?lián)宵c(diǎn)的位置研究卻很少，本文對(duì)40m、90m、115m跨徑的單T構(gòu)橋進(jìn)行研究分析。

通過MIDAS/CIVIL軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知：40m跨徑單T構(gòu)橋最大下?lián)宵c(diǎn)離墩頂29.5m，即0.74L；90m跨徑單T構(gòu)橋最大下?lián)宵c(diǎn)離墩頂64m，即0.71L；40m跨徑單T構(gòu)橋最大下?lián)宵c(diǎn)離墩頂93m，即0.1L，見表3。

表3 不同跨徑下最大下?lián)宵c(diǎn)的位置表(不考慮墩的影響)

由表3可知：對(duì)單T構(gòu)橋，最大下?lián)宵c(diǎn)的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間；不同跨徑下單T構(gòu)橋的最大下?lián)衔恢命c(diǎn)略有不同。

1.4 目標(biāo)預(yù)供度的計(jì)算方法

目前高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋線型控制一般采用控制中跨跨中位置的預(yù)拱度來實(shí)現(xiàn)，連續(xù)剛構(gòu)橋目標(biāo)預(yù)拱度由成橋預(yù)拱度和施工預(yù)拱度組成，其中影響成橋預(yù)拱度的因素包括后期混凝土收縮徐變及1/2活載影響；影響施工預(yù)拱度的因素包括梁體自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃變形、前期收縮徐變、墩身變形、溫度影響、施工荷載及二期恒載。而對(duì)于單T構(gòu)橋，通過上述對(duì)墩高和主梁跨徑的研究分析可知，可采用控制最大位置點(diǎn)處的目標(biāo)預(yù)拱度來控制線型，即：

H=h主梁+h墩+h1/2活載

(1)

式中，H——目標(biāo)預(yù)拱度；

h主梁——主梁預(yù)拱度(不考慮墩沉降的影響)；

h墩——墩沉降產(chǎn)生的預(yù)拱度；

h1/2活載——1/2活載產(chǎn)生的預(yù)拱度。

目標(biāo)預(yù)拱度示意圖如圖4所示：

圖4 目標(biāo)預(yù)拱度示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某大橋位于酉陽縣銅鑼鄉(xiāng)西村官渡灘，設(shè)計(jì)為分離式雙幅橋。右副橋橋跨布置為(2×115+5×30+4×30)m，左幅橋橋跨布置為(2×115+4×30+4×30)m。主橋?yàn)?×115m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)橋。主橋箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬11m，底板寬6.6m。箱梁邊跨現(xiàn)澆段梁高為4.5m，墩頂0#塊梁高為15.5m。T型剛構(gòu)主墩為9×8m的分離式矩形空心墩，左幅橋墩墩高為85.749m，右幅墩高為91.667m。

圖5 某大橋(主橋)整體布置圖

2.2 有限元模型建立

為充分考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的精確性，采用空間橋梁分析軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行計(jì)算。將橋墩墩底設(shè)置為固定端，為了使墩頂與主梁連接處有相同位移，主墩墩頂采用彈性連接類型中的剛接將其連接起來，橋臺(tái)、過渡墩墩頂永久支撐采用活動(dòng)鉸支座，邊跨現(xiàn)澆段的臨時(shí)支座設(shè)置為固定鉸支座。此橋計(jì)算模型共劃分成82個(gè)單元，其中上部結(jié)構(gòu)劃分成62個(gè)單元，下部劃分成20個(gè)單元，如圖6所示。

2.3 計(jì)算分析

根據(jù)上述對(duì)合理成橋線型參數(shù)優(yōu)化分析可知，運(yùn)用MIDAS/CIVIL軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，后期混凝土收縮徐變時(shí)間設(shè)置為100年，并充分考慮梁體自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃變形、墩身變形、溫度、濕度、施工荷載、二期恒載及1/2活載的影響，通過結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)：H=h主梁+h墩+h1/2活載，對(duì)預(yù)拱度的設(shè)置使結(jié)構(gòu)的成橋線型更加理想，同時(shí)減小橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后收縮徐變等因素的影響。分析數(shù)據(jù)表明：距墩頂93m、30節(jié)點(diǎn)處主梁變形值最大，變形-5.36cm；在墩頂(節(jié)點(diǎn)53)處墩沉降最大，沉降-7.08cm，從墩頂向兩邊墩的沉降量逐漸減?。缓笃?00年混凝土收縮徐變單獨(dú)階段在墩頂處影響最大，值為-3.09cm，從墩頂向兩邊變形值逐漸減小，見圖7。

由圖7可知，充分考慮后期混凝土收縮徐變及墩沉降的影響，合理優(yōu)化成橋線型，通過控制最大下?lián)宵c(diǎn)的目標(biāo)預(yù)拱度來控制整體線型，最終得到合理優(yōu)化的成橋線型。

圖7 主梁、墩、1/2活載及目標(biāo)預(yù)拱度示意圖

3 結(jié)語

通過運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析，并對(duì)合理成橋線型參數(shù)優(yōu)化分析得出以下結(jié)論：

(1)混凝土收縮徐變100年后成橋線型仍然在下?lián)献兓?；成橋初?一般為10年內(nèi))混凝土收縮徐變對(duì)線型影響較大；成橋后期(一般為10～100年)混凝土收縮徐變對(duì)線型影響逐年減小。在施工監(jiān)控中運(yùn)用MIDAS/CIVIL對(duì)全橋進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)考慮后期100年混凝土收縮徐變的影響，以最大可能降低混凝土收縮徐變對(duì)成橋線型的影響。

(2)同一跨徑墩越高，墩沉降位移越大，近似取同一跨度墩高的沉降速度值是一個(gè)常數(shù)，可得墩高和沉降位移的表達(dá)式：y=kh,k為常數(shù)?？傊叨諏?duì)成橋線型的影響很大，在對(duì)線型的施工監(jiān)控中要引起足夠的重視。

(3)對(duì)單T構(gòu)橋，最大下?lián)宵c(diǎn)的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間；不同跨徑下單T構(gòu)橋的最大下?lián)衔恢命c(diǎn)略有不同。通過對(duì)墩高和主梁跨徑的研究分析可知，可采用控制最大位置點(diǎn)處的目標(biāo)預(yù)拱度來控制線型，此結(jié)論對(duì)同類橋梁的線型控制提供參考價(jià)值。

[1]雷俊卿，王 楠.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)測(cè)與仿真分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28(2)：74-78.

[2]宋士新.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制關(guān)鍵問題分析與研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[3]喬文庭，汪 宏，張 明.深水河大橋主橋連續(xù)鋼構(gòu)施工控制內(nèi)容與方法研究[J].北方交通，2012(12)：92-95.

[4]潘 喜，連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制[J].黑龍江交通科技，2013(6)：112.

[5]張 桃，肖盛燮，陶 韜.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度的設(shè)置與控制[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2012，14(4)：8-10.

[6]羅 明，楊永清.高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋仿真模型及預(yù)拱度設(shè)置[J].四川建筑，2009，29(3)：121-122，124.

[7]郝天之，張玉新，李世深.連續(xù)PC剛構(gòu)橋下?lián)献冃蚊舾幸蛩胤治鯷J].西部交通科技，2009(12)：71-74.

[8]方華兵，田啟賢.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁線型控制參數(shù)敏感性分析[J].橋梁建設(shè)，2006(2)：81-83.

[9]JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

Reasonable Bridge Linear Optimization of High-pier Single T Frame Bridge

LI Ning1，DAI Jun-yuan2

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074；2.Chongqing Communications Construction(Group)Co.，Ltd.，Chongqing，400010)

High-pier large-span single T frame bridge has been widely used in current bridge construction，but currently there are few studies on bridge linear control of single T frame bridges.This article conducted the simulation analysis on whole bridge by using MIDAS/CIVIL，and conducted the sensitivity analysis on the concrete shrinkage and creep，pier height，span and other parameters.Analysis and study showed that：for the concrete shrinkage and creep，the linear of 100-years-old bridge is still chan-ging in the down-warping，with a greater impact right after bridge completion，and a smaller impact at the later period；the high pier has a significant impact on bridge linear，thus the linear construction mo-nitoring shall be emphasized；the largest down-warping point(from the top of the pier)of single T frame bridge is approximately between 3/5L～4/5L.

Single T frame bridge；Shrinkage and creep；Pier height；Span；Camber；Bridge linear；Simulation analysis

李 寧(1986—)，碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。

U448.23+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.012

1673-4874(2015)01-0052-06

2014-12-10