曲线连续刚构桥结构与横向预偏量计算分析

蒋严波，朱政敏，陈光辉

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530001；2.广西新发展交通集团有限公司，广西　南宁　530001)



曲线连续刚构桥结构与横向预偏量计算分析

蒋严波1，朱政敏2，陈光辉1

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530001；2.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁530001)

蒋严波(1982—)，工程师，研究方向：公路桥梁施工技术管理；

朱政敏(1970—)，高级工程师，研究方向：公路桥梁施工技术管理与研究；

陈光辉(1974—)，教授级高级工程师，研究方向：公路桥梁施工技术管理与研究。

摘要：文章以梧州至柳州高速公路狼冲口特大桥施工为例，建立空间有限元模型，分析了预应力曲线连续刚构桥最大悬臂阶段和成桥阶段二期恒载、活载、混凝土收缩徐变等因素影响下的结构特性，提出了曲线连续刚构桥横向预偏量的计算方法。

关键词：曲线连续刚构桥；结构分析；横向位移；横向预偏量；计算分析

0引言

高墩身、大跨度、小半径的预应力曲线连续刚构桥由于其曲线适应性好、造价较低，在山区高速公路中被广泛应用，但由于其弯-扭耦合作用的存在，主梁及主墩产生横向位移，墩身根部存在附加侧向弯矩，主梁平面线形难以满足规范要求，因此，应采用横向预偏量补偿墩身横向位移。横向预偏量产生的原理，国内外许多学者已经进行了广泛深入地分析和研究[1-6]，取得相关的理论成果，但是对于目前对高墩应力曲线连续刚构桥横向位移的预偏量计算方法，国内外研究尚无相关定义。本文以梧州至柳州高速公路狼冲口特大桥为背景，建

立空间有限元模型，分析了主桥悬臂施工阶段和合拢后自重(施加二期恒载)、活载、混凝土收缩徐变等影响因素产生的横向位移等结构特性，提出了曲线连续刚构桥横向预偏量的计算方法。

1工程概况

图1　狼冲口特大桥效果图

梧州至柳州高速公路狼冲口特大桥位于广西平南县大鹏镇境内，桥梁全长1 224 m，线形为R=1 150 m右偏圆曲线，如图1所示。其中9#、10#、14#、15#墩为主墩，9#墩高度为86 m，主桥为55 m+100 m+55 m预应力混凝土连续箱梁结构，主梁断面形式为单箱单室截面，如图2所示，箱宽6.75 m，翼板悬臂3.0 m，全宽12.75 m，横坡4%，纵坡2.5%，箱梁根部中心梁高5.735 m，过渡墩部及跨中中心梁高2.635 m。箱梁0#块长10 m，主梁划分为12个节段。

该桥施工中0#块、边跨现浇段采用牛腿托架法施工，T构悬臂部分采用挂篮悬臂浇筑对称施工，主梁采用先边跨、后中跨的预张拉合拢技术。

图2　主梁横断面图

2主桥模型的建立

采用MIDAS/CIVIL软件，建立主桥梁单元计算模型。主桥全长210 m，全桥共分50个梁段单元(不计桥墩)，满堂现浇段长度为4.0 m，分为2个单元；边跨合拢段长2 m，为1个单元；中跨合拢段长2 m，分为2个单元，各1 m；0#块桥墩为10 m，划分为3个单元，各为(2.5+5+2.5)m，之后由桥墩向两边对称悬出为4×3.75 m梁段，4.5 m梁段，5×4.9 m梁段。建立的模型如图3所示。边界条件采用墩底固结，梁端考虑双支座的静定支承体系。荷载主要考虑恒载、张拉力、混凝土收缩与徐变以及挂篮等荷载。

(a)

(b)

图3主桥分析模型图

3计算结果分析

本文选取主桥最大悬臂施工状态以及合拢后施加二期恒载、活载、10年收缩徐变等四个阶段进行横向位移、内力、应力等结构特性分析。

3.1主梁横向位移、内力与应力

(1)主梁横向位移

主梁4个阶段的横向位移如图4所示，主梁合拢前后，以及活载、10年收缩徐变的横向位移较小，主梁悬臂现浇对称施工是主桥产生横向位移的主要阶段，随着节箱梁的延长，节段重心偏离主墩纵向中轴线，向平面圆曲线内侧径向横移，扭矩效应产生并逐渐向前节段累积，16#～22#节点(墩顶)主梁发生的最大横向位移(见图4)为-13.5 mm。边跨、中跨合拢后，主桥成为整体的预应力连续超静定结构，二期恒载、活载在主梁上的施加均较难产生横向位移，横向位移较合拢前变小，10年收缩徐变再次使主梁内力重新分配，边跨两端向曲线外侧横移2.2 mm。

图4　主梁横向位移曲线图

(2)主梁内力

主梁纵向弯矩最大悬臂状态下影响最大，如图5所示，墩顶附近为-84 773 kN·m，呈对称分布。主桥合拢后，结构体系发生转换，二期恒载与活载弯矩分布变化曲线正弯矩方向扩大，墩顶附近弯矩分别为-56 050 kN·m、-72 230 kN·m。

图5　主梁各阶段扭矩图

扭矩的产生主要有三大因素：(1)曲线桥桥面设置横坡，外侧腹板重于内侧，节段中心线偏离墩顶中心线，N节段相对于N-1节段产生扭矩；(2)平面圆曲线上节段重心偏离主墩纵向中轴线，扭矩效应产生并逐渐向前节段累积；(3)活载按照相关设计标准采用偏载方式加载。

经过计算得出该桥在最大悬臂、二期恒载、活载、10年收缩徐变各工况的主梁扭矩，如图6所示，活载按照相关设计标准采用偏载方式加载，对主梁产生的影响最大，墩梁固结处为-5 618.36 kN·m，其次是合拢前悬臂施工对扭矩产生的影响。

图6　主梁各阶段扭矩图

(3)主梁应力

如图7所示，纵桥向主梁截面均承受压应力。最大悬臂施工状态，两T构截面应力墩梁固结处最大，底板为-9.7 MPa，顶板为-4.0 MPa，底板压应力大于顶板压应力。大桥合拢后并施加二期恒载，结构体系发生转换，受合拢预应力束的影响，主梁的应力重新分配，底板截面应力墩梁固结处最大，为-9.4 MPa，顶板截面应力7#单元(9#块)最大，为-7.5 MPa，由应力数据的变化可以看出，5#～10#块顶板应力大于底板压应力。

图7　合拢前后主梁应力图

3.2主墩横向位移、内力与应力

T构悬臂的弯-扭作用使得高墩曲线连续刚构桥在主墩顶部产生横向偏移，如图8所示，最大悬臂阶段、二期恒载节段主墩横向位移随高度增加呈线性变化，活载以及收缩徐变影响较小。

图8　主墩横向位移图

T构悬臂的弯-扭作用使得墩身顶部产生径向位移，在墩根部存在横向弯矩，如表1所示，主桥最大悬臂施工状态时，主墩根部的内力应力变化较其它阶段明显，主墩根部侧向弯矩8 486.33 kN·m，主墩根部应力在平曲线内侧较外侧压应力值大25%左右。

表1　主墩(根部)内力与应力值表

4横向预偏量

主墩在不断伸长的悬臂弯-扭作用下带动主梁发生横向变形，由于混凝土的塑性定形特性，N节段对N-1、N-2等箱梁节段的横向位移以及平面内的转动的影响较小，墩梁固结的形式使得墩身根部存在附加永久侧向弯矩，为防止产生墩身偏载倾斜过大的破坏，保证主梁的平面线形满足规范要求，应在墩身横向位移反方向设置横向预偏量。

目前国内外对曲线连续刚构桥横向位移的预偏量计算方法尚无定义，通过参考相关文献[7]对于桥梁预拱度的计算，提出曲线连续刚构桥横向预偏量的计算方法：

预偏量△=累计变形(二期恒载)+长期效应(10年收缩徐变值)+活载效应(1/2活载频遇值)变形。曲线连续刚构桥设置横向预偏量，为抵消桥梁结构自重、桥面铺装及防撞墙等二期恒载、预应力、活载效应(1/2活载频遇值)、混凝土长期效应(10年徐变收缩值)引起的横向变形。

图9　主梁横向预偏量及实施偏差图

图10　主墩横向预偏量及实施偏差图

如图9～10所示，采用上述方法计算的主梁主墩横向预偏量，主梁预偏数据呈M型变化，墩顶附近预偏值较大，边跨现浇段及中跨合同段预偏值相对较小。主墩预偏值随高度呈单向线性变化逐渐增大。大桥线形监控采用方法1在主墩主梁进行预偏实施，现场线形实际测控数据与原设计线形的偏差值在±4.5 mm之内。

5结语

(1)主梁悬臂现浇对称施工是主桥产生横向位移的主要阶段，边跨、中跨合拢体系完成转换后，荷载在主梁上的施加均较难产生横向位移，10年收缩徐变在边跨端部能小量值反向修复。

(2)主梁T构悬臂的伸长，节段重心偏离主墩纵向中轴线，墩顶主梁向平面圆曲线内侧径向横移，扭矩效应产生并逐渐向前节段累积到墩梁结合部，使得墩身偏心受力，墩身根部承受较大的横桥向附加弯矩。

(3)为防止产生墩身偏载倾斜过大的破坏，保证主梁的平面线形满足规范要求，提出曲线连续刚构桥横向预偏量的计算方法，两种计算结果偏差较小；监控实施后，实测数据与原设计线形的偏差值在±5 mm之内。计算方法和成果可为高墩小半径同类型桥梁提供参考。

参考文献

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[7]JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

Calculation Analysis on Structure and Lateral Pre-displacement of Curved Continuous Rigid Frame Bridges

JIANG Yan-bo1，ZHU Zheng-min2，CHEN Guang-hui1

(1.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001；2.Guangxi Xin-fazhan Communications Group，Nanning，Guangxi，530001)

Abstract：With Langchongkou Bridge construction of Wuzhou-Liuzhou Expressway as the example，this article established the spatial finite element model，analyzed the structural characteristics of curved prestressed continuous rigid frame bridge at the longest cantilever stage and bridge completion stage under the impact of Phase 2 dead load，live loads，concrete shrinkage and creep and other factors，and proposed the calculation method for lateral pre-displacement of curved continuous rigid frame bridge.

Keywords：Curved continuous rigid frame bridge；Structural analysis；Transverse displacement；Lateral pre-displacement；Calculation analysis

收稿日期：2016-02-01

文章编号：1673-4874(2016)02-0041-05

中图分类号：U448.23

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.010

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