大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)系氖┕び绊懸蛩貐?shù)化分析

林兆新

(寧德沈海復(fù)線雙福高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因其跨越能力強(qiáng)、 施工便利、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國(guó)公路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用， 已成為180～300m 跨徑橋梁中最具競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)形式[1]。 但是，大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在運(yùn)營(yíng)過程中普遍出現(xiàn)了跨中過量下?lián)系膯栴}， 影響了結(jié)構(gòu)的壽命和行車舒適性，甚至危及了結(jié)構(gòu)安全[2]。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的長(zhǎng)期下?lián)蠁栴}受到多方面因素的影響。 在目前的相關(guān)研究中，楊晉文[3]分別研究了混凝土收縮徐變作用對(duì)高速公路與高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響，發(fā)現(xiàn)收縮徐變作用在成橋后3～10 年間對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響非常大；朱鵬飛等[4]分別對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋在預(yù)應(yīng)力損失、 混凝土收縮徐變及主梁開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低三種因素影響下的撓度進(jìn)行了分析， 結(jié)果表明剛度損失對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中下?lián)鲜怯绊懽畲蟮?；顏東煌等[5]就混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力損失、主梁開裂、主梁超重等因素對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系挠绊戇M(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上， 以沈海復(fù)線福鼎貫嶺至柘榮段高速公路桐山溪特大橋?yàn)槔?，利用有限元方法?jì)算，探討了混凝土超方、預(yù)應(yīng)力損失、合龍順序、合龍誤差等施工過程中的因素對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)系挠绊憽?/p>

1 工程概況

沈海復(fù)線福鼎貫嶺至柘榮段高速公路桐山溪特大橋?yàn)?104+200+104)m 的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁左右幅分離布置，單幅采用單箱單室截面，設(shè)計(jì)為三向預(yù)應(yīng)力體系，主要采用掛籃懸澆施工，先邊跨合龍，再中跨合龍。

圖1 橋位布置圖(單位：m)

桐山溪特大橋主橋單幅箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2 所示，箱梁頂寬12m，底寬7m，高度由距主墩中心5.5m 處向跨中方向94.5m 段按1.5 次拋物線變化， 跨中處箱梁高度為4.57m， 支點(diǎn)處箱梁高度為12.57m。 箱梁根部底板厚119.5cm，跨中底板厚32cm，底板厚度按直線變化；根部腹板厚90cm，跨中腹板厚50cm，腹板厚度在變化段按直線漸變，由90cm 變至70cm，再變至50cm；頂板厚30cm，設(shè)2%的橫坡。

采用有限元計(jì)算軟件橋梁博士建立了桐山溪特大橋整體計(jì)算模型，兼顧結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)、施工工序與計(jì)算精度， 將整個(gè)上部結(jié)構(gòu)劃分為126 個(gè)單元、127 個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖3 所示。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

圖3 計(jì)算模型示意圖

為便于觀察結(jié)構(gòu)跨中長(zhǎng)期下?lián)系淖兓厔?shì)， 本文以各情況下的成橋時(shí)跨中撓度為基準(zhǔn)， 以不同成橋時(shí)間后的跨中撓度與成橋時(shí)跨中撓度的差值作為 “跨中撓度增量”，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明。

2 混凝土超方的影響

自重是影響橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形的主要荷載。 當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際自重大于設(shè)計(jì)值時(shí)，自重彎矩增大，使得原有的預(yù)應(yīng)力配置不足，直接增大結(jié)構(gòu)下?lián)?，從而進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期下?lián)系脑黾印墓こ虒?shí)踐來看，采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)自重的偏差不容忽視。一般來說，引起混凝土橋梁結(jié)構(gòu)自重偏差的原因主要有兩個(gè)： 混凝土材料由于配合比出現(xiàn)誤差而造成的實(shí)際容重偏差， 以及混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑過程中出現(xiàn)脹?，F(xiàn)象而導(dǎo)致的混凝土超方。其中，超方引起的結(jié)構(gòu)自重偏差往往較為顯著一些。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 混凝土在澆筑過程中由于脹模等原因引起的超方普遍會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重增加2%～3%左右。 由于小范圍內(nèi)出現(xiàn)局部超方的情況對(duì)全橋變形的影響相對(duì)較小， 本文針對(duì)全橋范圍內(nèi)出現(xiàn)超方的情況進(jìn)行研究， 分別考慮混凝土澆筑過程中不超方及脹模超方1%、2%、3%、4%、5%對(duì)跨中長(zhǎng)期下?lián)系挠绊懀?結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 混凝土超方對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度的影響

圖5 混凝土超方與跨中撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)的比例關(guān)系

可以看出，隨著混凝土超方比例的增加，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中長(zhǎng)期撓度增量也不斷增加。 在只考慮混凝土超方引起的結(jié)構(gòu)自重增加影響下， 由于結(jié)構(gòu)體系特性沒有變化，跨中撓度增量隨著超方比例的增加而逐漸增加。超方比例達(dá)到5%時(shí)， 成橋30 年的跨中撓度增量增加了5mm 左右。

另一方面， 圖5 表明不同成橋時(shí)間后的跨中撓度增長(zhǎng)比例與混凝土超方比例基本保持線性關(guān)系。 這是由于隨著成橋時(shí)間的推移，混凝土凝結(jié)程度不斷提高，結(jié)構(gòu)的剛度不斷趨向于設(shè)計(jì)剛度， 導(dǎo)致不同成橋時(shí)期跨中撓度對(duì)超方的敏感性不同，具體表現(xiàn)為成橋時(shí)間越久，下?lián)想S超方比例增加而增長(zhǎng)的速率越慢。

3 預(yù)應(yīng)力損失的影響

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中考慮了預(yù)應(yīng)力作用與恒載、活載相互平衡。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失過大時(shí)，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)也將與恒載、活載產(chǎn)生的效應(yīng)不匹配，進(jìn)而影響跨中撓度。 根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)[6]中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算得到了桐山溪特大橋的理論預(yù)應(yīng)力損失， 并在此基礎(chǔ)上分別將預(yù)應(yīng)力損失增大了5%、10%、15%、20%、25%及30%， 得到了預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度增量的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度的影響

可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，跨中長(zhǎng)期撓度的增量也隨之增加。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失增加10%時(shí)，成橋30 年的跨中撓度增量比理論狀態(tài)增加了約14mm； 當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失增加30%時(shí)，成橋30 年的跨中撓度增量比理論狀態(tài)增加了約40mm。 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度的影響非常明顯。

4 合龍順序的影響

采用平衡懸臂澆筑法施工的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋最終將由兩個(gè)大懸臂合龍成橋，合龍可采用“先中跨后邊跨”和“先邊跨后中跨”兩種工序進(jìn)行。 合龍順序是連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中的關(guān)鍵問題。首先，合龍改變了合龍段所在跨的靜定性質(zhì)及澆筑梁段的收縮徐變進(jìn)程， 隨著超靜定次數(shù)和收縮徐變的變化， 橋梁將產(chǎn)生與施工工序關(guān)聯(lián)較大的內(nèi)力重分布， 影響成橋結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力狀態(tài)；其次，合龍順序是施工控制的敏感因素，每批合龍的內(nèi)容不同，施工的難易程度就有所不同，對(duì)施工誤差的累積有一定影響。 桐山溪特大橋?yàn)?104+200+104)m 三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，原設(shè)計(jì)采用“先邊跨后中跨”的合龍順序。為了研究不同合龍順序?qū)Τ蓸蚝罂缰虚L(zhǎng)期撓度的影響， 分別對(duì)兩種合龍順序進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 合龍順序?qū)缰虚L(zhǎng)期撓度的影響

可以看出，采用“先中跨后邊跨”合龍順序時(shí)的結(jié)構(gòu)跨中長(zhǎng)期撓度增量較大。成橋30 年時(shí)，采用“先中跨后邊跨”合龍順序比采用“先邊跨后中跨”合龍順序的跨中撓度增量增加了約1.5mm。

5 合龍誤差的影響

對(duì)于懸臂澆筑施工的大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋來說，如果懸臂澆筑過程中施工線形控制良好，最終合龍時(shí)合龍段兩側(cè)應(yīng)基本處于一平順的線形上， 按照正常施工工序合龍即可。 但是，如果合龍段兩側(cè)高差較大，則必須采取一定措施強(qiáng)制合龍， 這種情況會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力產(chǎn)生一定程度的影響。以桐山溪特大橋?yàn)槔?，假設(shè)合龍時(shí)合龍段兩側(cè)高程誤差分別為5.5cm 和11cm，通過施加強(qiáng)制力(懸臂端部壓重)使兩端主梁水平進(jìn)行合龍，在合龍成橋后解除強(qiáng)制力，計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)跨中的長(zhǎng)期撓度，并與合龍時(shí)合龍段兩側(cè)高程無誤差的情況相比較， 結(jié)果如圖8 所示。

圖8 合龍誤差對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度的影響

可以看出， 考慮合龍誤差后跨中撓度的長(zhǎng)期增量反而有所減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于，強(qiáng)制合龍過程中在懸臂端部施加了壓重， 強(qiáng)制合龍完成后去除壓重相當(dāng)于在跨中施加了一個(gè)向上的力， 因此長(zhǎng)期撓度不會(huì)比正常合龍更大。但是，強(qiáng)制合龍會(huì)造成兩個(gè)懸臂的線形不平順， 在進(jìn)行橋面鋪裝時(shí)需要額外調(diào)平， 尤其是在跨中部分，而過厚的橋面鋪裝導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重的增加，從而對(duì)跨中長(zhǎng)期下?lián)显斐刹焕绊憽?/p>

6 結(jié)論

以主跨200m 的桐山溪特大橋?yàn)槔?分析了大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的混凝土超方、預(yù)應(yīng)力損失、 合龍順序及合龍誤差等因素對(duì)結(jié)構(gòu)跨中長(zhǎng)期下?lián)系挠绊?，得到了以下主要結(jié)論：

(1)隨著混凝土超方比例的增加，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中長(zhǎng)期撓度增量也不斷增加； 不同成橋時(shí)期跨中撓度對(duì)超方的敏感性不同，成橋時(shí)間越久，下?lián)想S超方比例增加而增長(zhǎng)的速率越慢。

(2)隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，跨中長(zhǎng)期撓度的增量也隨之增加， 且預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度的影響非常明顯。

(3)對(duì)于采用平衡懸臂澆筑方法施工的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋來說，采用“先中跨后邊跨”合龍順序時(shí)的結(jié)構(gòu)跨中長(zhǎng)期撓度增量較大。

(4)考慮合龍高程誤差而進(jìn)行強(qiáng)制合龍后，跨中撓度的長(zhǎng)期增量反而較無高程誤差合龍時(shí)有所減小， 但強(qiáng)制合龍會(huì)造成兩個(gè)懸臂的線形不平順， 若采用額外的鋪裝調(diào)平則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重的增加， 對(duì)跨中長(zhǎng)期撓度產(chǎn)生不利影響。