淺析大跨度橋梁轉體橋預拱度計算分析

瞿生科

摘 要：平轉法施工在特定情況下（如）跨越重要交通運輸路線，具有其他施工方法無法比擬的優(yōu)越性。平轉法施工通常具有所用施工設備少、難度小、速度快、費用低、對現(xiàn)有交通影響小、結構受力合理的特點，近年來在橋梁施工中應用越來越多。本文主要論述橋梁轉體橋預拱度計算，闡述各種狀態(tài)下對預拱度有影響。

關鍵詞：預拱度;線形控制;支架剛度

線形控制（狹義上稱高程控制）是施工控制的重要內容。線形控制非常重要，它是保證順利成橋的關鍵。為了成橋時橋梁線形達到預定目標，在主梁的施工過程中需設置預拱度。預拱度的設置以理論計算為基礎，以實際測量的主梁變位為依據(jù)，并考慮施工過程中混凝土的實際容重、收縮徐變、預應力效應、橋面臨時荷載、體系轉換、日照溫差等多方面的影響。那么弄清預拱度曲線的變化規(guī)律很有必要。預拱度的形狀主要取決于橋型和施工方法，預拱度的大小主要取決于橋梁剛度、荷載及施工環(huán)境中各方面因素。本章以跨京滬鐵路轉體橋計算模型為基礎，通過改變計算模型中的平曲線半徑、支架剛度、徐變模型、墩身高度等參數(shù)，分析得到由恒載、預加力、收縮徐變及1/2靜活載計算的預拱度的變化規(guī)律[16]，從而為轉體施工的T型剛構橋梁預拱度的計算提供借鑒。

一、預拱度影響因素

影響預拱度的因素即是影響橋梁變形的因素，主要因素有：

1計算圖式和結構剛度

不同的橋型對應不同的計算圖式，不同的計算圖式對應不同的預拱度性狀。比如等剛度簡支梁橋，跨中撓度最大，支點處最小。

結構剛度越大，結構變形越大;反之越小。

2結構自重

自重作用引起的變形在總變形中占有很大的部分，特別是大跨度橋梁中。

3二期恒載

橋面鋪裝、防撞護欄等作用及二期恒載上橋時間對橋梁變形有較大影響。

4預加力

預應力引起的變形在總變形中占很大部分，比如懸臂狀態(tài)下張拉頂板束會引起主梁上撓，張拉底板束會引起主梁下?lián)?。預加力越大，變形越大。

5結構體系轉換

施工過程中往往需要經(jīng)歷很多次體系轉換，這樣計算圖式不斷變化，從而引起變形規(guī)律的變化。

6施工方法

不同的施工方法施工工序不盡相同，各施工階段對應的結構、邊界條件、荷載不同，變形也不同。比如懸臂施工和支架施工，懸臂施工是靜定體系，而支架施工可看成是多點支承的超靜定體系，主梁的變形存在很大的差異。若只考慮主梁自重荷載，有支架施工的特點是施工過程中節(jié)段自重由支架承受，完成各節(jié)段的施工后各節(jié)段整體落架，自重由支座承擔;懸臂施工的特點是施工過程中各節(jié)段的自重荷載始終由支座或臨時支承承擔。有支架施工先完成節(jié)段自重對后施工節(jié)段的變形也有影響;懸臂施工先完成節(jié)段自重對后完成節(jié)段變形沒有影響[18]。

7混凝土收縮徐變

混凝土的收縮徐變計算比較困難，影響的因素很多，主要有水泥品種、集料性質、配合比、外加劑、加載齡期、溫度、應力大小和持續(xù)時間等。混凝土收縮徐變機理比較復雜，本質上取決于其內部的物理化學過程。目前主要的理論有力學變形理論、塑形理論和粘性流理論。不同的模型計算的變形值有較大差別。

8掛籃自重及其變形

如果采用掛籃懸臂施工，掛籃自重對已澆梁段產生變形，掛籃自身也發(fā)生變形。

9支架剛度

如果采用支架施工，支架的支承剛度大小影響主梁變形，剛度大變形小，剛度小變形大。

10墩身變形

墩身變形直接影響主梁線形，特別是高墩情況。

11平曲線和縱坡

位于平曲線上的橋梁屬于空間結構，應該考慮空間效應，如主梁扭轉變形。當主梁位于較大的縱坡上時，應該考慮其影響。

12溫度

混凝土結構在溫度荷載作用下會發(fā)生變形，特別對于超靜定結構影響更大。

13施工荷載

施工過程中，臨時荷載引起主梁變形，卸除后變形恢復。

由上可知，影響變形的因素很多。而對于同一種橋型和同一施工方法的橋梁，前6種因素影響下的變形規(guī)律是不變的，變形主要考慮后7種因素，尤其是（7）-（11）。

二、平曲線對預拱度的影響

曲線梁橋由于彎扭耦合使得其受力變形較直線橋復雜的多[10]，預拱度計算比較困難。曲線橋轉體施工法的實例為數(shù)不多，預拱度的設置要除了要考慮轉體法的特殊性外，還要考慮平曲線的影響[16]。

為了分析各種半徑平曲線對預拱度設置的影響，在原橋基礎上，保持中間柱墩位置及切線方向不變，建立半徑600m、400m、300m、200m、150m共5個有限元計算模型。通過對6個模型計算結果的對比分析，得到平曲線對支架現(xiàn)澆轉體施工橋梁預拱度的影響。以下預拱度圖中：豎向預拱度向上為正，向下為負;扭轉預拱度符合右手螺旋法則，大拇指從端支點指向中支點，順食指方向為正，反之為負;橫向預拱度向曲線外側為正，內側為負。

1 平曲線對豎向預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的豎向預拱度見圖1。

由圖1可知，不管平曲線半徑為何值，豎向預拱度的極值發(fā)生在15號節(jié)點（A2節(jié)段末）、24號節(jié)點（A4節(jié)段開始）及16號節(jié)點（A3節(jié)段開始）。且豎向預拱度隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，豎向預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，豎向預拱度增幅絕對值較大。以15號節(jié)點為例，曲線半徑600m、400m、300m時豎向預拱度較曲線半徑800m分別增加2%、6%，11%;曲線半徑200m、150m時豎向預拱度較曲線半徑800m分別增加24%、39%。但是預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約15mm、6mm?？梢姡角€對豎向預拱度的影響較小，在大半徑曲線時可以不考慮其影響。

2平曲線對扭轉預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的扭轉預拱度下圖：

由圖2可知，不管平曲線半徑為何值，扭轉預拱度的極值發(fā)生在5號節(jié)點（A1節(jié)段）、31號節(jié)點（A4節(jié)段末），而24號節(jié)點（A4節(jié)段開始）基本為0。且扭轉預拱度絕對值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，扭轉預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，扭轉預拱度增幅絕對值較大。以5號節(jié)點為例，曲線半徑600m、400m、300m時預拱度絕對值較曲線半徑800m分別增加33%、100%，166%;曲線半徑200m、150m時預拱度絕對值較曲線半徑800m分別增加300%、425%。

扭轉預拱度在A4合攏段開始處基本為0，這是由于施工完成A3節(jié)段后脫架，前3個節(jié)段的扭轉變形既已基本完成，而后澆A4節(jié)段對此處的扭轉變形影響較小。扭轉預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約0.063°（梁截面左右兩點高差約5.5mm）、0.051°。

可見，平曲線對扭轉預拱度的影響大于對豎向預拱度的影響。當曲線半徑較大（大于300m）時，可以不考慮平曲線的影響。

3平曲線對橫向預拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計算得到的橫向預拱度見圖3。

由圖3可知，不管平曲線半徑為何值，橫向預拱度的極值發(fā)生在1號節(jié)點（A1節(jié)段開始）、31號節(jié)點（A4節(jié)段末），而23號節(jié)點（A3節(jié)段末）基本為0。且橫向預拱度絕對值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢，曲線半徑大于300m時，橫向預拱度增幅絕對值較小，曲線半徑小于300m時，橫向預拱度增幅絕對值較大。以1號節(jié)點為例，曲線半徑600m、400m、300m時預拱度較曲線半徑800m分別增加50%、105%，172%;曲線半徑200m、150m時預拱度較曲線半徑800m分別增加305%、438%。

橫向預拱度在A4合攏段開始處基本為0，這是由于施工完成A3節(jié)段后脫架，前3個節(jié)段的橫向變形既已基本完成，而后澆A4節(jié)段對此處的橫向變形影響較小。橫向預拱度的絕對值及增幅絕對值并不大，分別約9.7mm、7.9mm。

可見，平曲線對橫向預拱度的影響大于對豎向預拱度的影響。當曲線半徑較大（大于300m）時，可以不考慮平曲線的影響。

平曲線對預拱度的影響主要表現(xiàn)在對橫向、扭轉預拱度的影響，對豎向預拱度影響較小。當半徑大于300m時，計算預拱度時可以不考慮平曲線。

二、支架剛度對預拱度的影響

在原橋模型基礎上，增加支架豎向剛度一倍，即支架豎向剛度取40000t/m，進行對比分析。豎向、扭轉、橫向預拱度見圖4、5、6。

由圖可知，支架剛度增加一倍，豎向、扭轉、橫向預拱度基本不變，最大差值約0.4mm。由此可見，滿堂支架施工經(jīng)過預壓后剛度已經(jīng)很大，支架剛度在合理范圍內取值，基本不會影響預拱度的大小[16]。

三、徐變模型對預拱度的影響

原橋模型采用老化理論計算混凝土收縮徐變，收縮徐變計算參數(shù)見下節(jié)。采用公路04規(guī)范收縮徐變計算公式建立計算模型，進行對比分析。

豎向、扭轉、橫向預拱度見圖7、8、9。由圖可知，采用不同的徐變模型，計算的豎向預拱度差異較大，最大差值約10mm。而對扭轉、橫向預拱度的影響較小，對于本橋可以不予考慮。

四、墩身高度對預拱度的影響

原橋模型橋墩高度10.5m，通過改變其墩身高度建立墩高15m、20m、25m的計算模型，進行對比分析。不同墩身高度的橋梁豎向、扭轉、橫向預拱度見圖10、11、12。

由圖可知，墩身高度的變化對豎向、扭轉預拱度的影響甚小，最大差值分別為3mm和0.011°（相當于主梁兩側1mm的高差），可以忽略。當墩身高度較大時，由于墩身橫向變形較大，主梁應該考慮設置橫向預拱度。墩身高度對豎向預拱度的影響主要是由墩身壓縮引起的，本橋墩身為實心截面，壓縮剛度較大，墩身豎向壓縮變形較小。

五、運營階段混凝土收縮徐變引起的預拱度

一般情況下，橋梁施工周期較短，混凝土收縮徐變是一個長期的過程，成橋時混凝土收縮徐變并沒有完成，因此預拱度要考慮運營階段混凝土收縮徐變因素。一般在成橋后插入一個施工周期為10年的施工階段（不考慮移動荷載），考慮運營階段混凝土收縮徐變。主梁成橋時和收縮徐變10年后的主梁變形見圖13、14、15。

由圖可知，收縮徐變10年后，主梁豎向變形較大，最大10mm，應該在預拱度設置中考慮。主梁扭轉和橫向變形較小，設置預拱度時可以不考慮。

六、各部分作用對預拱度的貢獻

主梁變形是由多種作用共同作用的結果，不同作用引起的變形大小不相同，那么各作用下，主梁應該設置的預拱度也不相同。各種作用下應設豎向預拱度見圖16。

由圖可知，結構自重和預加力作用下的應設預拱度較大，但方向相反，基本抵消。收縮徐變和1/2靜活載作用下的應設預拱度較小，方向也相反，但收縮徐變的比1/2靜活載的絕對值要大。

七、結論

通過上述分析，可以得出以下結論：

1不同半徑平曲線對預拱度有影響。隨著平曲線半徑的減小，豎向預拱度、橫向預拱度絕對值、扭轉預拱度絕對值都有增大的趨勢：平曲線半徑大于300m時，增幅絕對值較小;平曲線半徑小于300m時，增幅絕對值較大。平曲線對橫向、扭轉預拱度的影響較大，對豎向預拱度影響較小。當半徑大于300m時，計算預拱度時可以不考慮平曲線的影響。對于本橋，可以只設置豎向預拱度，不設置扭轉、橫向預拱度。

2支架剛度取值在合理范圍內時，對預拱度的影響較小。

3采用不同徐變模型計算的預拱度差異較大。對于本橋，只需要考慮不同徐變模型對豎向預拱度影響的差異。應該在線形控制過程中，根據(jù)實際情況調整，選取合理的徐變模型參數(shù)計算預拱度。

4墩身高度對曲線橋梁的橫向預拱度產生較大的影響。墩身高度較大時，應考慮設置橫向預拱度。

5本橋運營階段混凝土收縮徐變作用下，產生較大的豎向變形。計算預拱度時應考慮。

6結構自重和預加力作用下的應設置的預拱度值較大，其計算誤差對預拱度的設置產生的影響最大。

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