基于連續(xù)剛構(gòu)橋研究撓度的不同影響因素分析

施秀山 SHI Xiu-shan；楊海洋 YANG Hai-yang

（①紅河州地方公路管理處，蒙自 651100；②紅河紅發(fā)交通投資有限公司，蒙自 651100）

0 引言

我國(guó)云南省的地形地貌比較復(fù)雜，即在該地區(qū)的許多山谷河流都修建上了連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)剛構(gòu)橋具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：跨越能力強(qiáng)、行車(chē)舒適以及施工方便等[1]。但是，在連續(xù)剛構(gòu)橋施工期間橋梁的跨中和邊跨都會(huì)形成一定的撓度，即在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程之中隨著橋梁使用年限的增加啊，其撓度會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)橋梁的跨中下?lián)蠂?yán)重就會(huì)形成混凝土裂縫，進(jìn)而影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。因此，分析不同的下?lián)显蚩梢詾檫B續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)戏e累分析經(jīng)驗(yàn)，并且對(duì)橋梁監(jiān)控以及維修加固具有重要意義[2]。

1 工程背景

本文主要分析研究了云南省的某一座連續(xù)性的剛構(gòu)橋，全橋一聯(lián)，且橋梁的跨徑布置為（66+120+66）米。并且主梁主要表現(xiàn)為單箱單室的箱梁，此橋的橋面寬度為9米，主梁的底面寬度為5米，以及箱梁的根部主梁的高度為7.5米，位于中跨跨中和梁端的主梁的高度為3米，并且箱梁的主梁的高度及主梁的底面曲線按照2次拋物線的形式變化。該橋的橋墩主要使用雙肢薄壁空心墩，并且1號(hào)橋墩的高度為24米，2號(hào)橋墩的高度為23米。連接橋墩的承臺(tái)的厚度為4米，并且采用9根直徑為2米的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，并且樁長(zhǎng)分別為48米和50米[3]，其橋型布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋梁布置圖（單位：m）

2 有限元模型的建立

使用計(jì)算模擬軟件建立該連續(xù)剛構(gòu)橋的MIDASCivil全橋的梁?jiǎn)卧Ｐ?，并且其中連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁變化情況是主要是主要采用變截面的梁?jiǎn)卧M，并且樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩以及主梁采用剛性連接模擬現(xiàn)實(shí)接觸[4]。樁基礎(chǔ)使用“m”法計(jì)算樁土之間的作用影響并且通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬彈性支承，即關(guān)于全橋的空間三維結(jié)構(gòu)形成的建模圖如圖2所示。

圖2 全橋三維結(jié)構(gòu)離散圖

3 不同影響因素對(duì)撓度的影響

3.1 自重變化對(duì)撓度的影響

在連續(xù)剛構(gòu)橋正常施工的時(shí)候會(huì)根據(jù)建模計(jì)算分析設(shè)置好橋梁撓度的大小以此來(lái)監(jiān)控預(yù)防橋梁形成過(guò)大的下?lián)隙?。但是，在施工的時(shí)候混凝土澆筑不可能做到盡善盡美。其中，在進(jìn)行混凝土階段澆筑的時(shí)候，混凝土的模板產(chǎn)生變形從而導(dǎo)致混凝土的自重增加；還有就是，混凝土頂表面不平整從而導(dǎo)致混凝土自重增加。即本節(jié)主要分析混凝土自重的不同對(duì)橋梁撓度的影響，混凝土自重系數(shù)變化如表1所示。

根據(jù)混凝土的自重增加的百分比，調(diào)整模型中混凝土的自重系數(shù)來(lái)表達(dá)混凝土增加的部分，根據(jù)表1分別建立的模型，得到工況一、工況三和工況五的不同節(jié)點(diǎn)位置的撓度變化情況，如圖3所示。

表1 混凝土主梁的自重系數(shù)變化值

圖3 不同工況下的撓度隨節(jié)點(diǎn)不同位置的變化情況

根據(jù)奇數(shù)工況可以看出，混凝土超重對(duì)結(jié)構(gòu)的撓度具有較小的影響，用曲線在圖中展示不是很清晰。但是，圖中可以明顯的看出撓度的最大絕對(duì)值并不是在跨中，而是處于橋墩到跨中的3/4處，邊跨也是基本處于橋墩到橋臺(tái)的3/4處。根據(jù)圖3所示具有對(duì)稱(chēng)性，故本文分別選取邊跨節(jié)點(diǎn)14號(hào)、靠近跨中節(jié)點(diǎn)70號(hào)以及跨中節(jié)點(diǎn)76號(hào)的撓度進(jìn)行分析研究，即得到表2。

根據(jù)表2中可以看出，當(dāng)混凝土的自重每增加1%的重量時(shí)，14號(hào)節(jié)點(diǎn)的撓度就下降約0.41mm，70號(hào)節(jié)點(diǎn)的撓度就下降約0.44mm，而76號(hào)節(jié)點(diǎn)的撓度就只下降了約0.24mm。故當(dāng)混凝土的自重按1%的重量增加時(shí)，那與原來(lái)相比多出來(lái)的1%重量就會(huì)使不同節(jié)點(diǎn)混凝土撓度按照一定量的位移下降。

表2 不同節(jié)點(diǎn)在不同工況下的撓度

即在施工的時(shí)候，根據(jù)正常情況下設(shè)置混凝土自重預(yù)拱度是可以正常保證混凝土的撓度的。但是，施工時(shí)可能導(dǎo)致混凝土自重增加，從而導(dǎo)致原本的預(yù)拱度不在滿足實(shí)際施工的需要，故我們需要及時(shí)的做好施工監(jiān)控工作，以保證混凝土的自重在合理范圍之內(nèi)，同時(shí)保障結(jié)構(gòu)安全。

3.2 基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)撓度的影響

在施工的時(shí)候，有許多原因造成地基的不均勻沉降。其中，橋梁的1號(hào)和2號(hào)橋墩的沉降差別過(guò)大會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而當(dāng)形成的附加應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)的抗拉應(yīng)力，繼而使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形[5]。故本節(jié)通過(guò)控制1號(hào)和2號(hào)橋墩的下沉量并且支座處的沉降量為0毫米保持不變，來(lái)分析研究基礎(chǔ)的不均勻沉降對(duì)撓度的影響，即設(shè)置橋墩的沉降量如表3所示[6]。

表3 橋墩沉降量的具體變化表

即連續(xù)剛構(gòu)橋具有對(duì)稱(chēng)性，故考慮工況一至工況三為一個(gè)橋墩單獨(dú)沉降，工況四至工況六為兩個(gè)橋墩整體整體沉降。

根據(jù)圖4中可以分析得出，前三種工況只考慮了1號(hào)橋墩的下沉量，其中隨著一號(hào)窮橋墩的下沉，位于1號(hào)橋墩左右兩邊的橋梁兩跨也隨之形成撓度，并且隨著下沉量的增大，各個(gè)位置的撓度也隨之增大；同時(shí)，在1號(hào)橋墩下沉而2號(hào)橋墩沒(méi)有下沉的時(shí)候，由于1號(hào)橋墩的下沉引起了2號(hào)橋墩右側(cè)邊跨形成上撓度。后三種工況考慮了1、2號(hào)橋墩同時(shí)下沉的情況，其中隨著1、2橋墩的同時(shí)下沉中跨跨中出現(xiàn)了明顯的下?lián)?，然而由于認(rèn)定支座每由產(chǎn)生沉降量，故兩個(gè)邊跨被迫跟隨1、2號(hào)橋墩形成下?lián)?，并出現(xiàn)了明顯的對(duì)稱(chēng)性能[7]。

圖4 基礎(chǔ)沉降對(duì)撓度隨節(jié)點(diǎn)位置不同的變化情況

根據(jù)表4中可以分析得出，針對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)性的連續(xù)剛構(gòu)橋，只有1號(hào)橋墩沉降和1、2號(hào)橋墩同時(shí)沉降時(shí)，1號(hào)橋墩的邊跨跨中的撓度隨著沉降量的變化一樣，下?lián)系牧渴且粯拥模瑫r(shí)隨著沉降量的增加撓度也是隨著線性變化的，即每增加10毫米的沉降量便會(huì)下?lián)?.98107毫米的下?lián)狭浚坏?，?、2號(hào)橋墩同時(shí)沉降時(shí)，2號(hào)橋墩的邊跨跨中才會(huì)有一個(gè)下?lián)?，?dāng)只有1號(hào)橋墩沉降時(shí)，2號(hào)橋墩的邊跨跨中會(huì)形成一個(gè)上撓，并且隨著橋墩的沉降量增加其上撓也是線性變化著增加，即每增加10毫米的沉降量便上撓0.47214毫米的上撓量；當(dāng)只有1號(hào)橋墩產(chǎn)生沉降的時(shí)候，剛構(gòu)橋的中跨跨中的撓度下降量是線性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便會(huì)下?lián)?.88849毫米的下?lián)狭浚划?dāng)1、2號(hào)橋墩同時(shí)下沉的時(shí)候，剛構(gòu)橋的中跨跨中的撓度下降量是也是線性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便會(huì)下?lián)?1.4367毫米的下?lián)狭?；同時(shí)，也可以分析出當(dāng)1、2號(hào)橋墩同時(shí)沉降的時(shí)候的撓度是1號(hào)橋墩沉降時(shí)候的撓度的1.94倍，猜測(cè)可能是由于支座沒(méi)有同時(shí)沉降的原因?qū)е聯(lián)隙炔皇?倍。

表4 跨中撓度的具體變化值

4 結(jié)論

本文通過(guò)MIDASCivil建立有限元單元模型，主要分析連續(xù)剛構(gòu)橋的自重以及基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)撓度的影響，并且得出以下結(jié)論，對(duì)類(lèi)似橋梁的撓度分析和施工方案制定具有理論的參考價(jià)值。

①通過(guò)對(duì)不同位置的撓度模擬分析，可知橋梁的邊跨和中跨的跨中撓度對(duì)橋梁的整體結(jié)構(gòu)的影響非常之大，即讓施工者清楚明白的了解了關(guān)于撓度對(duì)橋梁的施工過(guò)程之中的重要性，并且主要的分析和研究影響關(guān)于橋梁撓度原因的重要因素；

②通過(guò)橋梁主梁自重對(duì)橋梁撓度的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，其中自重引起的比較大的撓度值主要集中在邊跨跨中和中跨跨中的左右兩側(cè)；并且當(dāng)混凝土的自重按1%的重量增加時(shí)，那與原來(lái)相比多出來(lái)的1%重量就會(huì)使不同節(jié)點(diǎn)混凝土撓度按照一定量的位移下降；

③通過(guò)基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)橋梁撓度的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，當(dāng)1、2號(hào)橋墩同時(shí)沉降的時(shí)候的撓度是1號(hào)橋墩沉降時(shí)候的撓度的1.94倍，同時(shí)會(huì)形成基礎(chǔ)不均勻沉降的最大的撓度值；當(dāng)只有一側(cè)橋墩沉降時(shí)，最大的下?lián)隙燃礊闃蚨盏某两盗?，而使得一個(gè)橋墩的邊跨形成一定程度的上撓度，并且上撓度的絕對(duì)值只有下?lián)隙鹊亩^對(duì)值的5.8%。