高墩大跨连续刚构桥预拱度仿真分析

刘 涛，代钧元

(1.广安市交通建设工程造价管理站，四川 广安 638000；2.重庆浩正公路园林工程有限公司，重庆 400060)

1 预拱度设置与分析

预拱度包括施工预拱度、成桥预拱度和30年收缩徐变预拱度三个阶段。施工预拱度包括施工阶段变形、1/2的移动荷载变形和长期变形等，成桥预拱度包括1/2的移动荷载变形和长期变形等，30年收缩徐变预拱度是指桥梁使用30年后跨中截面仍有一定预拱度储备。施工阶段变形影响因素主要包括各节段箱梁自重，挂篮、模板和施工机具(包括人工)的重量，混凝土收缩徐变，预应力和二期恒载等；长期变形主要考虑成桥后30年的收缩徐变引起的变形。根据经验及相关文献可知，在确定施工预拱度时，一般还会加入一项经验值。

本文采用经验法对各阶段预拱度进行计算分析，其理论表达式如下：施工阶段变形[3]=梁体自重变形+预应力变形+挂篮、模板和施工机具等变形+混凝土收缩徐变变形+二期恒载变形；施工预拱度=施工阶段变形+1/2移动荷载变形+长期变形+经验值；成桥预拱度=施工预拱度-成桥阶段各节点累计变形值；30年收缩徐变预拱度=施工预拱度-30年收缩徐变各节点累计变形值。此处经验值的取值根据成桥预拱度中跨跨中和边跨变形最大点分别由L/1 000和L/2 000确定(L表示各跨的桥梁跨径)。

2 工程背景

四川省某桥主桥为98+180+98(m)三跨预应力混凝土连续刚构桥，箱梁断面采用单箱单室，箱顶宽12 m，箱底宽6.6 m，箱悬臂长2.7 m，箱梁高度、底板厚度变化按1.8次抛物线布设；箱梁0#块长度为12 m，悬浇“T”单侧总长为83 m，从根部至跨中对称划分成4×3.0、4×3.5、3×4.0和10×4.5共21个节段，且最重悬浇节段达2 733 kN；全桥共设11道横隔板；3#、6#墩处现浇段长度为6.84 m，合龙段(边、中跨)长度为2 m。主墩为8 m×8 m的分离式矩形空心墩，左幅4号桥墩高110 m，5号桥墩高为95.5 m；右副4号桥墩高为100 m，5号桥墩高为89.5 m。主梁、桥墩混凝土分别采用C55、C40。

3 优化建模及计算分析

根据设计图纸、施工方案以及综合考虑桥梁空间效应，采用MIDAS/Civil对该桥进行建模仿真分析预拱度，如图1所示。同时对建模过程进行细部优化，使模型更加符合桥梁实际，并与设计提供预拱度进行对比分析，最后得到实际的预拱度。

图1 MIDAS分析的计算模型图

结合主梁节段施工实际，全桥计算模型共划成201个单元，其中悬浇主梁105个、桥墩96个；同时，为准确模拟主梁施工过程，每一节段施工又细分为上(移)挂篮→现浇混凝土→预应力张拉等3个施工阶段，本模型共有73个施工阶段。

3.1 模型仿真优化分析

3.1.1 预应力钢束优化

采用3D样条曲线来模拟预应力钢束的空间线形，真实反映钢束的平弯、竖弯等设计状态，从而提高结构计算分析的精确度。

3.1.2 横隔板处理

横隔板对于结构局部抗扭、抗剪作用明显，而对于结构整体纵向受力作用不太明显，因此，偏于安全的将横隔板简化成集中力，施加到模型上。

3.1.3 混凝土收缩、徐变计算模式的选择

考虑结构截面形状、材料组成和周围环境等影响因素，CEB-FIP1990模式较其他模式更符合实际情况；同时，还考虑了30年收缩徐变。

3.1.4 边界条件的模拟

模型中3#～6#墩墩底设置为固定端，采用桥墩与基础刚结形式；4#、5#主墩墩顶采用墩梁刚结形式，3#、6#过渡墩墩顶采用弹性连接中仅受压类型，边跨现浇临时支座采用固定铰支座方式连接。

3.2 计算结果分析

经计算，得到成桥阶段、30年收缩徐变阶段、移动荷载和经验值作用下的各节点竖向变形值或累计变形值，本文仅列出较高墩4#墩各截面的竖向变形值，见表1。根据预拱度理论公式计算得出施工预拱度、成桥预拱度和30年收缩徐变后预拱度，同时与设计单位提供的设计预拱度进行比较，如图2～4所示。

表1 4#墩处各截面变形值 单位：mm

图2 施工预拱度对比图

图3 成桥预拱度对比图

图4 30年收缩徐变后预拱度对比图

通过计算可以发现：①边跨最大变形点位于距离边支点34.79 m处(16’截面)，因而设为边跨预拱度最高点；②预期实现成桥后中跨跨中预拱度为21.49 cm，边跨16’截面预拱度8.43 cm。在保证桥梁具有足够的预拱度基础上，确保成桥桥面线型的平顺性；③预期实现正常使用30年后跨中预拱度为17.79 cm，边跨16’截面预拱度6.21 cm，确保桥梁在全寿命期内不出现主梁线型下凹问题。

4 结 论

根据建模仿真分析可知，采用经验法得出的预拱度值较设计预拱度值更具有实用价值，各阶段剩余预拱度储备较大，桥面线型较平顺，能明显改善连续刚构桥长期下挠问题；可为其他类似高墩大跨连续刚构桥的设计、施工和监控提供参考。

[ID：009872]