曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)與橫向預(yù)偏量計(jì)算分析

蔣嚴(yán)波，朱政敏，陳光輝

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530001；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530001)

?

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)與橫向預(yù)偏量計(jì)算分析

蔣嚴(yán)波1，朱政敏2，陳光輝1

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530001；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西南寧530001)

蔣嚴(yán)波(1982—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工技術(shù)管理；

朱政敏(1970—)，高級工程師，研究方向：公路橋梁施工技術(shù)管理與研究；

陳光輝(1974—)，教授級高級工程師，研究方向：公路橋梁施工技術(shù)管理與研究。

摘要：文章以梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋施工為例，建立空間有限元模型，分析了預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂階段和成橋階段二期恒載、活載、混凝土收縮徐變等因素影響下的結(jié)構(gòu)特性，提出了曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向預(yù)偏量的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：曲線連續(xù)剛構(gòu)橋；結(jié)構(gòu)分析；橫向位移；橫向預(yù)偏量；計(jì)算分析

0引言

高墩身、大跨度、小半徑的預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)剛構(gòu)橋由于其曲線適應(yīng)性好、造價(jià)較低，在山區(qū)高速公路中被廣泛應(yīng)用，但由于其彎-扭耦合作用的存在，主梁及主墩產(chǎn)生橫向位移，墩身根部存在附加側(cè)向彎矩，主梁平面線形難以滿足規(guī)范要求，因此，應(yīng)采用橫向預(yù)偏量補(bǔ)償墩身橫向位移。橫向預(yù)偏量產(chǎn)生的原理，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛深入地分析和研究[1-6]，取得相關(guān)的理論成果，但是對于目前對高墩應(yīng)力曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向位移的預(yù)偏量計(jì)算方法，國內(nèi)外研究尚無相關(guān)定義。本文以梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋?yàn)楸尘埃?/p>

立空間有限元模型，分析了主橋懸臂施工階段和合攏后自重(施加二期恒載)、活載、混凝土收縮徐變等影響因素產(chǎn)生的橫向位移等結(jié)構(gòu)特性，提出了曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向預(yù)偏量的計(jì)算方法。

1工程概況

圖1　狼沖口特大橋效果圖

梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋位于廣西平南縣大鵬鎮(zhèn)境內(nèi)，橋梁全長1 224 m，線形為R=1 150 m右偏圓曲線，如圖1所示。其中9#、10#、14#、15#墩為主墩，9#墩高度為86 m，主橋?yàn)?5 m+100 m+55 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，主梁斷面形式為單箱單室截面，如圖2所示，箱寬6.75 m，翼板懸臂3.0 m，全寬12.75 m，橫坡4%，縱坡2.5%，箱梁根部中心梁高5.735 m，過渡墩部及跨中中心梁高2.635 m。箱梁0#塊長10 m，主梁劃分為12個(gè)節(jié)段。

該橋施工中0#塊、邊跨現(xiàn)澆段采用牛腿托架法施工，T構(gòu)懸臂部分采用掛籃懸臂澆筑對稱施工，主梁采用先邊跨、后中跨的預(yù)張拉合攏技術(shù)。

圖2　主梁橫斷面圖

2主橋模型的建立

采用MIDAS/CIVIL軟件，建立主橋梁單元計(jì)算模型。主橋全長210 m，全橋共分50個(gè)梁段單元(不計(jì)橋墩)，滿堂現(xiàn)澆段長度為4.0 m，分為2個(gè)單元；邊跨合攏段長2 m，為1個(gè)單元；中跨合攏段長2 m，分為2個(gè)單元，各1 m；0#塊橋墩為10 m，劃分為3個(gè)單元，各為(2.5+5+2.5)m，之后由橋墩向兩邊對稱懸出為4×3.75 m梁段，4.5 m梁段，5×4.9 m梁段。建立的模型如圖3所示。邊界條件采用墩底固結(jié)，梁端考慮雙支座的靜定支承體系。荷載主要考慮恒載、張拉力、混凝土收縮與徐變以及掛籃等荷載。

(a)

(b)

圖3主橋分析模型圖

3計(jì)算結(jié)果分析

本文選取主橋最大懸臂施工狀態(tài)以及合攏后施加二期恒載、活載、10年收縮徐變等四個(gè)階段進(jìn)行橫向位移、內(nèi)力、應(yīng)力等結(jié)構(gòu)特性分析。

3.1主梁橫向位移、內(nèi)力與應(yīng)力

(1)主梁橫向位移

主梁4個(gè)階段的橫向位移如圖4所示，主梁合攏前后，以及活載、10年收縮徐變的橫向位移較小，主梁懸臂現(xiàn)澆對稱施工是主橋產(chǎn)生橫向位移的主要階段，隨著節(jié)箱梁的延長，節(jié)段重心偏離主墩縱向中軸線，向平面圓曲線內(nèi)側(cè)徑向橫移，扭矩效應(yīng)產(chǎn)生并逐漸向前節(jié)段累積，16#～22#節(jié)點(diǎn)(墩頂)主梁發(fā)生的最大橫向位移(見圖4)為-13.5 mm。邊跨、中跨合攏后，主橋成為整體的預(yù)應(yīng)力連續(xù)超靜定結(jié)構(gòu)，二期恒載、活載在主梁上的施加均較難產(chǎn)生橫向位移，橫向位移較合攏前變小，10年收縮徐變再次使主梁內(nèi)力重新分配，邊跨兩端向曲線外側(cè)橫移2.2 mm。

圖4　主梁橫向位移曲線圖

(2)主梁內(nèi)力

主梁縱向彎矩最大懸臂狀態(tài)下影響最大，如圖5所示，墩頂附近為-84 773 kN·m，呈對稱分布。主橋合攏后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，二期恒載與活載彎矩分布變化曲線正彎矩方向擴(kuò)大，墩頂附近彎矩分別為-56 050 kN·m、-72 230 kN·m。

圖5　主梁各階段扭矩圖

扭矩的產(chǎn)生主要有三大因素：(1)曲線橋橋面設(shè)置橫坡，外側(cè)腹板重于內(nèi)側(cè)，節(jié)段中心線偏離墩頂中心線，N節(jié)段相對于N-1節(jié)段產(chǎn)生扭矩；(2)平面圓曲線上節(jié)段重心偏離主墩縱向中軸線，扭矩效應(yīng)產(chǎn)生并逐漸向前節(jié)段累積；(3)活載按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用偏載方式加載。

經(jīng)過計(jì)算得出該橋在最大懸臂、二期恒載、活載、10年收縮徐變各工況的主梁扭矩，如圖6所示，活載按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用偏載方式加載，對主梁產(chǎn)生的影響最大，墩梁固結(jié)處為-5 618.36 kN·m，其次是合攏前懸臂施工對扭矩產(chǎn)生的影響。

圖6　主梁各階段扭矩圖

(3)主梁應(yīng)力

如圖7所示，縱橋向主梁截面均承受壓應(yīng)力。最大懸臂施工狀態(tài)，兩T構(gòu)截面應(yīng)力墩梁固結(jié)處最大，底板為-9.7 MPa，頂板為-4.0 MPa，底板壓應(yīng)力大于頂板壓應(yīng)力。大橋合攏后并施加二期恒載，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，受合攏預(yù)應(yīng)力束的影響，主梁的應(yīng)力重新分配，底板截面應(yīng)力墩梁固結(jié)處最大，為-9.4 MPa，頂板截面應(yīng)力7#單元(9#塊)最大，為-7.5 MPa，由應(yīng)力數(shù)據(jù)的變化可以看出，5#～10#塊頂板應(yīng)力大于底板壓應(yīng)力。

圖7　合攏前后主梁應(yīng)力圖

3.2主墩橫向位移、內(nèi)力與應(yīng)力

T構(gòu)懸臂的彎-扭作用使得高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在主墩頂部產(chǎn)生橫向偏移，如圖8所示，最大懸臂階段、二期恒載節(jié)段主墩橫向位移隨高度增加呈線性變化，活載以及收縮徐變影響較小。

圖8　主墩橫向位移圖

T構(gòu)懸臂的彎-扭作用使得墩身頂部產(chǎn)生徑向位移，在墩根部存在橫向彎矩，如表1所示，主橋最大懸臂施工狀態(tài)時(shí)，主墩根部的內(nèi)力應(yīng)力變化較其它階段明顯，主墩根部側(cè)向彎矩8 486.33 kN·m，主墩根部應(yīng)力在平曲線內(nèi)側(cè)較外側(cè)壓應(yīng)力值大25%左右。

表1　主墩(根部)內(nèi)力與應(yīng)力值表

4橫向預(yù)偏量

主墩在不斷伸長的懸臂彎-扭作用下帶動(dòng)主梁發(fā)生橫向變形，由于混凝土的塑性定形特性，N節(jié)段對N-1、N-2等箱梁節(jié)段的橫向位移以及平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)的影響較小，墩梁固結(jié)的形式使得墩身根部存在附加永久側(cè)向彎矩，為防止產(chǎn)生墩身偏載傾斜過大的破壞，保證主梁的平面線形滿足規(guī)范要求，應(yīng)在墩身橫向位移反方向設(shè)置橫向預(yù)偏量。

目前國內(nèi)外對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向位移的預(yù)偏量計(jì)算方法尚無定義，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]對于橋梁預(yù)拱度的計(jì)算，提出曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向預(yù)偏量的計(jì)算方法：

預(yù)偏量△=累計(jì)變形(二期恒載)+長期效應(yīng)(10年收縮徐變值)+活載效應(yīng)(1/2活載頻遇值)變形。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)置橫向預(yù)偏量，為抵消橋梁結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝及防撞墻等二期恒載、預(yù)應(yīng)力、活載效應(yīng)(1/2活載頻遇值)、混凝土長期效應(yīng)(10年徐變收縮值)引起的橫向變形。

圖9　主梁橫向預(yù)偏量及實(shí)施偏差圖

圖10　主墩橫向預(yù)偏量及實(shí)施偏差圖

如圖9～10所示，采用上述方法計(jì)算的主梁主墩橫向預(yù)偏量，主梁預(yù)偏數(shù)據(jù)呈M型變化，墩頂附近預(yù)偏值較大，邊跨現(xiàn)澆段及中跨合同段預(yù)偏值相對較小。主墩預(yù)偏值隨高度呈單向線性變化逐漸增大。大橋線形監(jiān)控采用方法1在主墩主梁進(jìn)行預(yù)偏實(shí)施，現(xiàn)場線形實(shí)際測控?cái)?shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)線形的偏差值在±4.5 mm之內(nèi)。

5結(jié)語

(1)主梁懸臂現(xiàn)澆對稱施工是主橋產(chǎn)生橫向位移的主要階段，邊跨、中跨合攏體系完成轉(zhuǎn)換后，荷載在主梁上的施加均較難產(chǎn)生橫向位移，10年收縮徐變在邊跨端部能小量值反向修復(fù)。

(2)主梁T構(gòu)懸臂的伸長，節(jié)段重心偏離主墩縱向中軸線，墩頂主梁向平面圓曲線內(nèi)側(cè)徑向橫移，扭矩效應(yīng)產(chǎn)生并逐漸向前節(jié)段累積到墩梁結(jié)合部，使得墩身偏心受力，墩身根部承受較大的橫橋向附加彎矩。

(3)為防止產(chǎn)生墩身偏載傾斜過大的破壞，保證主梁的平面線形滿足規(guī)范要求，提出曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橫向預(yù)偏量的計(jì)算方法，兩種計(jì)算結(jié)果偏差較小；監(jiān)控實(shí)施后，實(shí)測數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)線形的偏差值在±5 mm之內(nèi)。計(jì)算方法和成果可為高墩小半徑同類型橋梁提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]辛景舟，周建庭，等.大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)橋空間特性及收縮徐變影響分析[J].西部交通科技，2015，90(1)：1-6.

[2]楊孟剛，陳庚.大跨度曲線剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力設(shè)置對扭矩的影響[J].橋梁建設(shè)，2010(3)：15-18.

[3]張柳春.曲線連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段橫向位移分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(1)：119-123.

[4]Hugo C.Gomez，Paul J.Fanning，？Maria Q.Feng，Sungchil Lee.Testing and long-term monitoring of a curved concrete box girder bridge[J].Engineering Structures，2011，Vol.33(10)：2861-2869.

[5]Sang-Hyo Kim，Yong-Seon Lee，Kwang-Yil Cho.Analysis of Horizontal Reactions due to Moving Vehicle Loads in Curved Bridges with Varied Support Conditions[J].Advances in Structural Engineering，2009，Vol.8(5)：529-545.

[6]李新春，劉愛榮，張俊平.大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度的參數(shù)化研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，8(3)：62-65.

[7]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)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

文章編號：1673-4874(2016)02-0041-05

中圖分類號：U448.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.010

作者簡介