高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度仿真分析

劉 濤，代鈞元

(1.廣安市交通建設(shè)工程造價管理站，四川 廣安 638000；2.重慶浩正公路園林工程有限公司，重慶 400060)

1 預(yù)拱度設(shè)置與分析

預(yù)拱度包括施工預(yù)拱度、成橋預(yù)拱度和30年收縮徐變預(yù)拱度三個階段。施工預(yù)拱度包括施工階段變形、1/2的移動荷載變形和長期變形等，成橋預(yù)拱度包括1/2的移動荷載變形和長期變形等，30年收縮徐變預(yù)拱度是指橋梁使用30年后跨中截面仍有一定預(yù)拱度儲備。施工階段變形影響因素主要包括各節(jié)段箱梁自重，掛籃、模板和施工機具(包括人工)的重量，混凝土收縮徐變，預(yù)應(yīng)力和二期恒載等；長期變形主要考慮成橋后30年的收縮徐變引起的變形。根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)文獻可知，在確定施工預(yù)拱度時，一般還會加入一項經(jīng)驗值。

本文采用經(jīng)驗法對各階段預(yù)拱度進行計算分析，其理論表達式如下：施工階段變形[3]=梁體自重變形+預(yù)應(yīng)力變形+掛籃、模板和施工機具等變形+混凝土收縮徐變變形+二期恒載變形；施工預(yù)拱度=施工階段變形+1/2移動荷載變形+長期變形+經(jīng)驗值；成橋預(yù)拱度=施工預(yù)拱度-成橋階段各節(jié)點累計變形值；30年收縮徐變預(yù)拱度=施工預(yù)拱度-30年收縮徐變各節(jié)點累計變形值。此處經(jīng)驗值的取值根據(jù)成橋預(yù)拱度中跨跨中和邊跨變形最大點分別由L/1 000和L/2 000確定(L表示各跨的橋梁跨徑)。

2 工程背景

四川省某橋主橋為98+180+98(m)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，箱梁斷面采用單箱單室，箱頂寬12 m，箱底寬6.6 m，箱懸臂長2.7 m，箱梁高度、底板厚度變化按1.8次拋物線布設(shè)；箱梁0#塊長度為12 m，懸澆“T”單側(cè)總長為83 m，從根部至跨中對稱劃分成4×3.0、4×3.5、3×4.0和10×4.5共21個節(jié)段，且最重懸澆節(jié)段達2 733 kN；全橋共設(shè)11道橫隔板；3#、6#墩處現(xiàn)澆段長度為6.84 m，合龍段(邊、中跨)長度為2 m。主墩為8 m×8 m的分離式矩形空心墩，左幅4號橋墩高110 m，5號橋墩高為95.5 m；右副4號橋墩高為100 m，5號橋墩高為89.5 m。主梁、橋墩混凝土分別采用C55、C40。

3 優(yōu)化建模及計算分析

根據(jù)設(shè)計圖紙、施工方案以及綜合考慮橋梁空間效應(yīng)，采用MIDAS/Civil對該橋進行建模仿真分析預(yù)拱度，如圖1所示。同時對建模過程進行細部優(yōu)化，使模型更加符合橋梁實際，并與設(shè)計提供預(yù)拱度進行對比分析，最后得到實際的預(yù)拱度。

圖1 MIDAS分析的計算模型圖

結(jié)合主梁節(jié)段施工實際，全橋計算模型共劃成201個單元，其中懸澆主梁105個、橋墩96個；同時，為準確模擬主梁施工過程，每一節(jié)段施工又細分為上(移)掛籃→現(xiàn)澆混凝土→預(yù)應(yīng)力張拉等3個施工階段，本模型共有73個施工階段。

3.1 模型仿真優(yōu)化分析

3.1.1 預(yù)應(yīng)力鋼束優(yōu)化

采用3D樣條曲線來模擬預(yù)應(yīng)力鋼束的空間線形，真實反映鋼束的平彎、豎彎等設(shè)計狀態(tài)，從而提高結(jié)構(gòu)計算分析的精確度。

3.1.2 橫隔板處理

橫隔板對于結(jié)構(gòu)局部抗扭、抗剪作用明顯，而對于結(jié)構(gòu)整體縱向受力作用不太明顯，因此，偏于安全的將橫隔板簡化成集中力，施加到模型上。

3.1.3 混凝土收縮、徐變計算模式的選擇

考慮結(jié)構(gòu)截面形狀、材料組成和周圍環(huán)境等影響因素，CEB-FIP1990模式較其他模式更符合實際情況；同時，還考慮了30年收縮徐變。

3.1.4 邊界條件的模擬

模型中3#～6#墩墩底設(shè)置為固定端，采用橋墩與基礎(chǔ)剛結(jié)形式；4#、5#主墩墩頂采用墩梁剛結(jié)形式，3#、6#過渡墩墩頂采用彈性連接中僅受壓類型，邊跨現(xiàn)澆臨時支座采用固定鉸支座方式連接。

3.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)計算，得到成橋階段、30年收縮徐變階段、移動荷載和經(jīng)驗值作用下的各節(jié)點豎向變形值或累計變形值，本文僅列出較高墩4#墩各截面的豎向變形值，見表1。根據(jù)預(yù)拱度理論公式計算得出施工預(yù)拱度、成橋預(yù)拱度和30年收縮徐變后預(yù)拱度，同時與設(shè)計單位提供的設(shè)計預(yù)拱度進行比較，如圖2～4所示。

表1 4#墩處各截面變形值 單位：mm

圖2 施工預(yù)拱度對比圖

圖3 成橋預(yù)拱度對比圖

圖4 30年收縮徐變后預(yù)拱度對比圖

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：①邊跨最大變形點位于距離邊支點34.79 m處(16’截面)，因而設(shè)為邊跨預(yù)拱度最高點；②預(yù)期實現(xiàn)成橋后中跨跨中預(yù)拱度為21.49 cm，邊跨16’截面預(yù)拱度8.43 cm。在保證橋梁具有足夠的預(yù)拱度基礎(chǔ)上，確保成橋橋面線型的平順性；③預(yù)期實現(xiàn)正常使用30年后跨中預(yù)拱度為17.79 cm，邊跨16’截面預(yù)拱度6.21 cm，確保橋梁在全壽命期內(nèi)不出現(xiàn)主梁線型下凹問題。

4 結(jié) 論

根據(jù)建模仿真分析可知，采用經(jīng)驗法得出的預(yù)拱度值較設(shè)計預(yù)拱度值更具有實用價值，各階段剩余預(yù)拱度儲備較大，橋面線型較平順，能明顯改善連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)蠁栴}；可為其他類似高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計、施工和監(jiān)控提供參考。

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