220 m主跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計參數(shù)敏感性分析

胡名忠， 任瑞雪

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.中交城市投資控股有限公司， 廣東 廣州 510290；3.廣州市東升醫(yī)院， 廣東 廣州 510000)

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)，與連續(xù)梁橋相比取消了支座，施工過程中不用臨時固結(jié)，也無需在主梁合龍后解除，便于施工。橋墩和主梁固結(jié)，使大跨連續(xù)剛構(gòu)橋由汽車、人群等可變作用引起的跨中正彎矩比等跨連續(xù)梁橋小。墩梁固結(jié)，還能降低跨中梁高，并進一步降低結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力。此外，若采用雙肢薄壁墩，墩頂負(fù)彎矩比等跨連續(xù)梁橋小。因此，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋是地形起伏大山區(qū)的首選橋型。以往的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋參數(shù)敏感性分析主要集中在橋墩結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、邊中跨比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。該文以一座主跨跨徑220 m的連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，采用MIDAS軟件對預(yù)應(yīng)力砼箱梁板厚、對稱梁段的不平衡荷載和橋面鋪裝厚度等進行敏感性分析，既為確定這些指標(biāo)提供依據(jù)，也為橋梁施工控制提供標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程背景

某連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為116 m+220 m+116 m，橋梁立面布置見圖1。主梁箱梁斷面為單箱單室箱形，橋墩位置處箱梁高13.4 m，中跨跨中梁高4 cm，全橋箱梁頂板全寬12 m、厚0.3 m。

連續(xù)剛構(gòu)橋的單箱單室箱梁單“T”共有26個懸臂澆筑梁段，其中0#梁段長12 m，1#～26#梁段節(jié)段劃分為(5×3+4×3.5+5×4+12×4.5) m，邊跨和中跨合龍段長均為2 m。連續(xù)剛構(gòu)橋兩個主墩的兩個T構(gòu)采用對稱懸臂掛籃施工，0#梁段采用托架法澆筑施工，兩邊跨現(xiàn)澆段采用搭設(shè)托架的方法施工。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋立面布置(單位：標(biāo)高為m，其他為cm)

2 有限元計算模型

應(yīng)用有限元軟件建立該橋考慮施工全過程的空間有限元計算模型，考慮165種工況的施工過程，全橋共267個節(jié)點、282個單元。圖2為有限元計算結(jié)構(gòu)離散圖。定義6種材料參數(shù)、46種截面類型。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋有限元計算結(jié)構(gòu)離散圖

3 計算結(jié)果與設(shè)計參數(shù)敏感性分析

3.1 有限元計算結(jié)果

該連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力計算結(jié)果見表1，成橋狀態(tài)作用效應(yīng)組合最不利應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表1 施工過程中結(jié)構(gòu)最不利應(yīng)力計算結(jié)果

表2 成橋狀態(tài)作用效應(yīng)組合下最不利應(yīng)力計算結(jié)果

從表1、表2可看出：施工過程中和成橋狀態(tài)下主梁壓應(yīng)力均有一定儲備，該橋主梁采用55號砼，JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》的允許值為17.75 MPa；橋墩壓應(yīng)力也有一定儲備，橋墩采用50號砼，JTG D60-2015的允許值為16.2 MPa。施工過程中主梁和橋墩存在較小的拉應(yīng)力。由于只在施工過程中出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力尚有一定儲備，該橋結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行。

3.2 設(shè)計參數(shù)敏感性分析

3.2.1 對箱梁板厚的敏感性分析

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定頂板、底板、腹板和橫隔板厚度可比設(shè)計尺寸厚1 cm，但不能比設(shè)計尺寸薄。取箱梁設(shè)計板厚(頂板設(shè)計厚度為0.3 m；底板厚度為1.2～0.32 m；箱梁腹板厚度分成5種規(guī)格，分別為1.05、0.95、0.8、0.65、0.5 m)、板厚增加1和2 cm 3種情況分別建立有限元模型，分析不同箱梁板厚下的結(jié)構(gòu)行為，結(jié)果見表3。

表3 不同板厚結(jié)構(gòu)的不利應(yīng)力和位移比較

從表3可看出：板厚增加1 cm，主梁最不利壓應(yīng)力尚未超標(biāo)，主梁采用55號砼，JTG D60-2015的允許值為17.75 MPa，對結(jié)構(gòu)線形的影響不太大；板厚增加2 cm，主梁最不利壓應(yīng)力已超標(biāo)，對結(jié)構(gòu)線形的影響較大，達7.2 cm。

3.2.2 對不均勻荷載的敏感性分析

掛籃懸臂澆筑要求對稱進行，而實際施工時很難做到完全對稱，一般設(shè)計圖會給出不對稱荷載限制值，不同設(shè)計單位取值大小可能不同，許多連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋給出的限制值是20 t，取值是否合適值得研究。

(a) 單個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載。分別對中跨6#、11#、16#、21#和26#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對結(jié)構(gòu)的影響進行計算分析，結(jié)果見表4。從表4可看出：單個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對應(yīng)力的影響均不大；對線形的影響則不盡相同，16#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對線形的影響為1 cm，21#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對線形的影響為2 cm，26#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對線形的影響為3.5 cm。從線形角度，對懸臂前端的梁段給出200 kN不對稱荷載的限值是不合適的；21#～26#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載較不利，其不對稱荷載應(yīng)控制在100 kN以內(nèi)。

表4 單個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對結(jié)構(gòu)的影響

(b) 連續(xù)多個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載。如果僅在設(shè)計圖紙中給出對稱梁段的不對稱荷載的控制限值為20 t，則因一般施工作業(yè)隊的作業(yè)習(xí)慣相同，許多橋梁施工作業(yè)隊的作業(yè)面相對固定，可能出現(xiàn)掛籃懸澆梁段一側(cè)的梁段均比對稱的另一側(cè)梁段重或輕的情況?？紤]這種最不利極限情況的影響，分別建立主跨1#～6#梁段、主跨1#～11#梁段、主跨1#～16#梁段、主跨1#～21#梁段、主跨1#～26#梁段連續(xù)多個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載的有限元計算模型，分析其對線形和應(yīng)力的影響，結(jié)果見表5。從表5可看出：連續(xù)多個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對應(yīng)力的影響不盡相同，若主梁主跨1#～26#梁段連續(xù)26個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載，將出現(xiàn)1.44 MPa的不利應(yīng)力，影響較大；對線形的影響也不盡相同，主跨1#～16#梁段連續(xù)16個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對線形的影響為3.9 cm，而主跨1#～26#梁段連續(xù)26個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對線形的影響達到17.3 cm，對線形控制而言無異于災(zāi)難。從線形和應(yīng)力的角度，應(yīng)避免連續(xù)多個梁段出現(xiàn)不對稱荷載的情況。

表5 主跨連續(xù)多個梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載對結(jié)構(gòu)的影響

3.2.3 對橋面鋪裝厚度的敏感性分析

該連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝厚度設(shè)計為9 cm。施工技術(shù)規(guī)范及評定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，瀝青砼橋面鋪裝的厚度應(yīng)控制在(-5，+10) mm。砼箱梁橋面鋪裝厚度不易控制，因為砼箱梁大都采用掛籃懸臂澆筑，頂板采用整平機收坡的很少，大部分采用人工橫坡，砼箱梁頂板的平整度一般難以達到理想狀態(tài)。而且為了減輕自重荷載，改善結(jié)構(gòu)受力從而使橋梁設(shè)計經(jīng)濟，跨度超過200 m的連續(xù)剛構(gòu)橋大都不設(shè)調(diào)平層，而只設(shè)置9～12 cm瀝青鋪裝層。如果不采取一定控制措施，在橋面平整度不太理想的箱梁上直接施工橋面鋪裝，很可能使橋面鋪裝厚度超厚或減薄(從行車舒適性的角度，一般更傾向于橋面鋪裝厚度厚一些)，對結(jié)構(gòu)影響程度如何需計算論證。為此，分別建立橋面鋪裝設(shè)計厚度9 cm、增加1 cm、增加2 cm和減薄0.5 cm 4種情況的有限元計算模型，分析其對結(jié)構(gòu)不利應(yīng)力和位移的影響，結(jié)果見表6。

從表6可看出：橋面鋪裝厚度增加1 cm，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的影響均不大。如果該橋頂面平整度控制不好，可考慮將橋面鋪裝調(diào)整為10 cm。調(diào)整后結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為16.9 MPa，和規(guī)范限值相比仍有富余。

表6 不同橋面鋪裝厚度下結(jié)構(gòu)不利應(yīng)力和位移比較

4 結(jié)論

(1) 該連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁板厚增加1 cm，主梁最不利壓應(yīng)力尚未超標(biāo)，對結(jié)構(gòu)線形的影響也不大；板厚增加2 cm，主梁最不利壓應(yīng)力已超標(biāo)，對結(jié)構(gòu)線形的影響也較大。為了給主梁應(yīng)力一定的壓應(yīng)力儲備，箱梁設(shè)計尺寸是合理的；但在主梁懸臂施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制板厚和超重，如果板厚增加2 cm，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形均不利。

(2) 對于該連續(xù)剛構(gòu)橋，對懸臂前端梁段給出200 kN不對稱荷載的限值不合適；21#～26#梁段出現(xiàn)200 kN不對稱荷載較不利，其不對稱荷載應(yīng)控制在100 kN以內(nèi)。對于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，給出對稱梁段的不對稱荷載的控制限值為20 t的限制并不合適，應(yīng)通過計算論證確定該限值。

(3) 該連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝厚度增加1 cm對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的影響均不大，若考慮將橋面鋪裝厚度調(diào)整為10 cm，調(diào)整后結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為16.9 MPa，和規(guī)范限值相比仍有一定富余。