预应力混凝土连续刚构桥预拱度仿真模型分析

(中交路桥技术有限公司，北京 100102)

1 概述

预应力混凝土连续刚构桥具有结构刚度大、受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等特点［1］。

在我国较大的桥梁中，黄石长江大桥、虎门大桥辅航道桥均采用了预应力混凝土连续刚构桥型，其中黄石长江大桥主跨达到了245 m，虎门大桥辅航道桥主跨达到了270 m。但是，随着跨越能力的增大，预应力混凝土连续刚构桥自身存在的一些不可忽视的问题也逐渐显露出来，并表现出随着跨径的增大呈加剧恶化的趋势［2］。这其中影响最大的就是预应力混凝土连续刚构桥在服役过程中主跨跨中下挠同时伴随大量斜裂缝出现的问题。跨中的大幅度下挠会严重影响桥梁的行车舒适性甚至结构的受力性能。

东庄禾5号桥位于京承高速公路密云沙峪沟—市界段K122+026.80处，主桥为48 m+88 m+48 m的三跨预应力混凝土连续刚构桥，桥面单幅宽13 m。下部结构为双薄壁矩形实心墩，群桩基础。主梁的截面形式为单箱双室箱形截面。箱梁顶板宽12.7 m，底板宽8.7 m，翼缘板悬臂长为2.0 m。箱梁在桥墩处高5.0 m，在跨中处高2.2 m。墩顶0号块设两道厚1.2 m的横隔板，边跨端部设厚1.5 m的横隔板，其余部位均不设横隔板。箱梁的施工采用挂篮悬臂浇筑法进行。箱梁在两个桥墩的墩顶各设置一个0号块，0号块长6 m。从0号块向两侧各设置11个悬浇节段，各现浇节段的长度为3×3 m+2×3.5 m+6×4 m。东庄禾5号桥总体布置如图1所示。

图1 东庄禾5号桥总体布置图

2 预应力混凝土连续刚构桥预拱度分析

连续刚构桥的预拱度称之为制作预拱度，制作预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度两个部分。其中施工预拱度是指在节段施工过程中，为抵消各种因素对各箱梁现浇节段在相应阶段产生的总位移而设置的预拱度。影响箱梁现浇节段位移的因素有:箱梁各节段的结构自重、箱梁混凝土施工阶段产生的收缩徐变、预应力筋束张拉产生的预应力、挂篮和模板的重量、二期恒载等。施工预拱度可以通过建立有限元仿真模型模拟各施工阶段计算得到。成桥预拱度是指主梁及主梁上的附属结构物施工完成后，为抵消桥梁服役阶段各种因素对桥梁线形的影响而设置的预拱度。桥梁服役阶段影响主梁线形的各种因素包括主梁混凝土服役阶段的收缩徐变、结构的自重、结构上承受的活荷载等。成桥预拱度可以通过建立一次成桥有限元仿真模型，按曲线分配等方法得到。东庄禾5号桥的成桥预拱度就是按照曲线分配方法设置得到。

采用挂篮悬臂现浇施工的预应力混凝土连续刚构桥，在分析施工预拱度和成桥预拱度时，主要考虑的影响因素如表1所示。

表1 连续刚构桥预拱度设置影响因素

成桥预拱度和施工预拱度的理论表达式如下所列:

3 有限元仿真模型的建立

东庄禾5号桥有限元仿真模型的建立运用大型有限元结构计算软件迈达斯Civil进行。模型的总体情况为:主梁悬臂浇筑节段每个节段划分为1个单元;主梁0号块、边跨现浇段和三个合龙段根据梁体的截面变化特点及计算精度的需要划分为2个单元;主墩根据结构特点将每个薄壁墩体划分为1个单元，共计4个单元。由于建模的目的是分析主梁在施工过程中的预拱度设置问题，全桥模型共划分为68个单元，其中上部结构64个单元，下部4个单元。

作用在模型上的荷载主要分为三个部分考虑。

第一部分是静荷载，静荷载包括钢筋混凝土的结构自重、混凝土的收缩徐变作用、预应力等。预应力钢绞线的各项参数及主梁混凝土的收缩徐变按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范［4］的规定取值。

第二部分是动荷载，动荷载主要考虑汽车荷载。汽车荷载按照JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范中的规定取定。

第三部分是施工荷载。施工荷载主要考虑挂篮荷载和主梁合龙时的配重荷载。其中挂篮荷载按设计图纸提供的挂篮质量参数580 kN取值，并确定挂篮支点的作用点。配重按290 kN计算。

建立模型时各单元的横截面按实际尺寸参与计算，齿板按施工阶段分别作用考虑。

在边界条件方面，除了墩身单元的下节点被固结外，主梁两端节点设置为通过可以在模型平面内转动的铰与刚体连接。

建立完成的东庄禾5号桥有限元仿真模型总体情况如图2所示。

图2 Midas分析的计算模型图

4 模型计算结果和讨论

通过模型计算，可以得到主梁各节段在施工过程中的施工预拱度和成桥预拱度。主梁施工预拱度和成桥预拱度的最终变形曲线如图3所示。

图3 东庄禾5号桥预拱度

在计算过程中，因为后期收缩徐变与活载作用产生的主梁竖向位移最大值的发生位置相似，中跨二者的最大值都发生在跨中，边跨二者的最大值都发生在距边跨起点0.35倍边跨跨径处，所以在监控过程中通常将二者以成桥预拱度形式一并分配于桥梁中跨及边跨，而不予分别计算。根据多座预应力混凝土连续刚构桥后期主梁变形的观测数据，成桥预拱度中跨最大值通常取为中跨跨径的1/1500～1/1000，边跨最大值通常取为中跨最大值的1/3～1/4左右。东庄禾5号桥边跨的成桥预拱度取为3 cm，最大值点出现在边跨的0.35处。中跨的成桥预拱度为9 cm，约为中跨跨径的1/3000，最大值点出现在中跨的跨中处。

5 结语

东庄禾5号桥从跨径和长度上来说均算不上大型桥梁，该桥在施工过程中的监控亦不复杂。但从预应力混凝土连续刚构桥的角度来说，对该桥在施工过程中和服役后一段时间内的主梁挠度进行持续的监控和研究，对于解决预应力混凝土连续刚构桥跨中下挠的问题仍具有重要的意义。希望本次东庄禾5号桥的监控案例能对预应力混凝土连续刚构桥的理论研究作出贡献。

［1］柳学发.大跨度连续刚构桥的应用和发展［J］.铁道标准设计，1999(1):3-4.

［2］马保林.高墩大跨度连续刚构桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范［S］.

［4］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［5］向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京:人民交通出版社，2001.