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高墩大跨度连续刚构桥预拱度设置研究
作者：王飞
来源：《城市建设理论研究》2014年第08期
摘要：连续刚构桥在设计中设置合理的预拱度能够消除施工过程中各种荷载对线形的影响，减少后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等产生的下挠现象。本文通过对现行规范规定的连续刚构桥预拱度设置的方法进行研究，提出了预拱度设置的合理建议，并通过实例加以说明。
关键词：连续刚构桥 预拱度运营过程下挠 中图分类号： U448.23文献标识码： A
随着我国交通事业的发展，越来越多的高墩大跨径桥梁不断涌现，连续刚构桥由于墩身与主梁形成刚架承受上部结构的荷载，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在结构上充分发挥了潜能，因此该桥型得到了迅速的应用和发展。但是随着连续刚构桥跨径的增大，使用年限的增加和超载等原因，导致许多的连续刚构桥跨中出现了不同程度的下挠。只有在施工中设置合理的预拱度,才能使连续刚构桥上部结构在经历施工中反复发生向上或向下形式的挠度和结构运营一定时间后，达到设计所期望的标高线形。
本文利用空间大型有限元软件MIDAS/Civil对达陕高速王家坝大桥主桥施工阶段进行了分析,对其在施工阶段的预拱度设置进行了分析和研究, 并且对连续刚构桥设计、施工和监控提出相应的意见。 1工程背景
万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路D7合同段王家坝大桥主桥采用三向预应力混凝土连续箱梁刚构桥，左幅跨径组合为（60.42+110.71+60.37m）=231.5m，右幅跨径组合为（59.64+109.29+59.69m）=228.62m。主桥采用单薄壁空心墩，基础采用钻孔桩基础，如图1所示。主梁为单箱单室预应力混凝土直腹板箱形梁，主梁根部梁高6.5m，跨中部梁高2.8m，箱梁高度由距墩中心3.0m处按1.8次抛物线变化；箱梁顶板宽12.1m，底板宽6.5m，翼缘板悬臂长度2.8m，桥面横坡变化，由腹板高度调整；箱梁顶板厚度除0#块部分为0.5m外，其余梁段为0.28m；箱梁底板厚由距墩中心3.0m处到合龙段处按1.8次抛物线变化，由0.8m变化至0.3m；连续刚构单T箱梁采用挂篮悬臂对称浇筑，边跨现浇段采用导梁法一次浇筑完成，边、中跨合龙段采用吊架模板、劲性骨架、平衡重方法进行浇筑。主梁采用采用C55混凝土,桥墩采用C40混凝土。
图1王家坝大桥立面示意图（单位：m） 2连续刚构桥预拱度设置
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根据连续刚构桥结构变形的性质和时间不同，预拱度又分为施工预拱度和成桥预拱度，施工预拱度的设置主要是为了消除施工过程中各种荷载对线形的影响。成桥预拱度的设置主要是为了消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等。预拱度的设置不仅与计算模式选取有关,还与施工阶段的一期恒载即梁自重和预加应力,施工临时荷载、基础沉降、湿度变化、施工误差等因素有关。
目前，对于需要设置预拱度的桥梁，其预拱度的设置方法通常是：以全部恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值为预拱度的最高值，设置在主梁跨中；其它各点预拱度以梁跨中点为最高值；梁的两端为0，按比例以直线或二次抛物线进行分配。这样设置往往只有少数的点在设置预拱度后与恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值相抵消，有时候甚至使桥梁线形不够平顺，不利于安全行车。可见，设置桥梁合理的预拱度值以及预拱度曲线对道路行车安全、舒适是十分重要的。
3施工阶段分析仿真模型
该桥运用大型有限元软件Midas/Civil进行仿真模拟时分析依据为:
(1)采用空间杆系结构模型,墩身和梁体均模拟为梁单元。按照设计图纸中桥梁结构分析,划分为155个节点, 132个单元,其中主梁为73个单元，如图2所示。 图2王家坝大桥Midas/Civil仿真模型
(2)因为主梁截面的偏心点选在中上部,而支座位于桥梁底部,因此需要在主梁的底部建立支座节点,并在支座节点上定义约束内容,并将支座节点与主梁节点通过刚臂进行连接;对与边跨导梁浇筑施工段,在施工过程中,梁底部有支架的临时支撑作用,对支架采用只受压弹性连接模拟,支架底部采用固结。
(3)预应力荷载的对结构的作用按照等效荷载的方法,由程序自动生成;挂篮荷载根据施工单位提供的资料，挂蓝自重为45吨，前后支点间距为3.5米，前支点距梁端0.8米，其他荷载按照设计图纸进行等效简化使用;
(4)混凝土收缩徐变的影响与加载程序及龄期有关,按照规范定义的计算模式使用;将混凝土处理为同一弹性模量,每阶段中混凝土龄期相同;
(5)施工步骤分为:墩身施工、梁体节段施工、浇筑边跨现浇段、边跨合龙、中跨合龙、铺装二期恒载等阶段,其中梁体节段施工每个步骤分为:移动挂篮、浇筑梁体、张拉钢束。 4预拱度设置及分析
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对于使用悬臂浇筑法施工的连续刚构桥为了使成桥后桥面标高与设计标高相接近，主梁线形满足设计和施工要求，对于静定悬臂施工的两端应保持平衡并预设上拱度，即采取预拱度这一有效措施，在本桥施工控制中，预拱度计算如下: （1）
式中: 为施工预拱度值; 为由各梁段自重在i节段产生的挠度总和; 为由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和; 为挂篮自重产生的挠度; 为混凝土收缩徐变在i节段引起的挠度; 为1/2静活载在i节段产生的挠度。
一般来讲，桥梁竣工时的梁段标高和设计标高之间是有一定差值的，而这个差值就是由于后期混凝土收缩徐变和预应力损失而设置的成桥预拱度。下面如图3所示说明节段立模标高、桥梁竣工时梁段标高和设计标高之间的关系。
图3设计标高、竣工标高及立模标高之间的关系示意图
由上图可以清晰看出，悬臂浇筑每一节段的立模标高和桥梁竣工时梁段标高之间的差值为施工预拱度加上各个悬臂浇筑节段的挂蓝变形值之和；而桥梁竣工时梁段标高和梁段设计标高之间的差值为成桥预拱度值。
成桥预拱度用表示，指成桥后，考虑收缩徐变、温度变化、预应力损失和汽车活载对挠度的影响。目前设置成桥预拱度的方法一般都是根据经验确定跨中最大预拱度后，按某种曲线向全跨分配，这里先介绍目前成桥预拱度设置的一般方法：经验曲线分配法和公式算法。 4．1经验曲线分配法
根据近几年的实践，跨中最大预拱度一般取L/2000- L/1000左右。根据有限元计算结果，弹性应变在中跨L/4处产生的变形约为跨中的1/ 2；因此，徐变变形亦应符合相类似的规律。而应用二次抛物线分配预拱度时，跨中与L/4处的预拱度比为3/ 4，与简支梁计算结果吻合较好，但偏离连续刚构桥理论计算值。所以按余弦曲线分配预拱度的方法更合理。其原因为：(1)余弦曲线在墩顶两曲线连接处切线斜率为零，满足平顺要求；(2)余弦曲线在L/4处预拱度为跨中预拱度1/2，与有限元计算吻合。 中跨成桥预拱度余弦曲线方程为： （2）
上式中：为中跨跨径；为中跨跨中成桥预拱度。
边跨成桥预拱度的设置：理论计算结果表明，边跨最大挠度一般发生在3L/8处，大小约为中跨最大挠度的1/ 4。况且.，由于大跨径连续刚构桥边中跨比一般在0. 52- 0. 6左右，桥墩