大跨高墩刚构桥预拱度研究

大跨高墩刚构桥预拱度研究

屈波

湖南中大设计院有限公司，湖南长沙，410075

摘要：本文以湖南省某高速上一座刚构桥为研究对象，依据现行公路桥梁规范和最新理论采用桥梁结构通用计算软件midas2022对该刚构桥的预拱度进行计算分析。文中详细论述了刚构桥预拱度的设置过程。通过有限元模型分析研究，指出了影响预拱度的主要因素。为本桥施工和监测提供了理论指导。同时为类似悬臂拼装施工提供参考。

关键词：刚构桥；有限元；预拱度；悬臂拼装

作者简介：屈波(1990-)，男，工程师，硕士，主要从事桥梁工程勘察设计研究工作。

连续梁桥结构体系具有结构刚度好、跨越能力强、桥面接缝少、温度应力小、行车平顺舒适、便于养护以及抗震能力强等优点，自联邦德国工程师芬斯特瓦尔·乌力西提分梁段对称悬臂施工浇筑的方法以来[1]，国内外陆续修建了很多“T”型刚构桥，已成为大跨径桥梁的首选桥型。该桥型最主要难点之一就是成桥状态下的线型控制。施工阶段和运营阶段都有很多因素对成桥线形有影响[2]，因此需要综合考虑各因素对变形的影响，形成理论的预拱度使施工完成的桥梁达到设计线形。本文通过有限元软件Midas2022采用正装法对一座刚构桥进行预拱度分析研究。

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1桥梁方案介绍

1.1孔跨布置及上下部结构型式

湖南省某高速上有一座大桥，平面位于R=1500m的圆曲线上，墩台径向布置。该桥梁桥采用SS级墙式护栏。桥梁分幅设计，左幅桥宽12.75~24.95m，右幅桥宽12.75~15.42m。桥面铺装为沥青混凝土。

桥梁左幅中心桩号为K42+187，起点桩号为K41+956.5，终点桩号为K42+417.5，跨径布置为2×30+3×30+(42+70+42)+3×30+2×30m，桥长461m；右幅中心桩号为K42+232，起点桩号为K42+046.5，终点桩号为K42+417.5，跨径布置为：2×30+(42+70+42)+3×30+2×30m，桥长371m。主桥上部结构采用连续刚构箱梁，引桥上部结构采用装配式预应力砼T梁，先简支后结构连续或先结构简支后桥面连续，下部为柱式墩、薄壁墩。本文以左幅主桥为研究对象，左幅刚构桥桥型见图1。

图1左幅主桥桥型图（单位：cm）

1.2上部结构设计要点

主桥左幅（42+70+42）m刚构，单幅宽度16.75m，单箱双室。跨中梁高2.2m、根部梁高4.3m，箱梁顶宽16.75m、底宽10.8m、悬臂长2.975m。箱梁顶板厚33cm，底板跨中32cm、根部80cm，腹板厚度采用50/75cm。梁高及底板厚度均按2.0次抛物线变化。悬臂端部厚20cm，距离端部217.5cm处加厚至50cm，根部厚80cm。左幅刚构桥断面构造见图2。

图2左幅刚构桥支点跨中断面构造图（单位：mm）

预应力体系设计：上部结构预应力系统包括纵向预应力、横向预应力和竖向预应力。

（1）纵向预应力包括T构顶板T类钢束、T构腹板F类钢束，边跨底板SB类钢束，边跨顶板ST类钢束、中跨底板CB类钢束、中跨顶板CT类钢束。钢束采用的高强度低松弛钢绞线；钢束管道采用塑料波纹管；锚具采用圆形群锚，T构顶板T类钢束、T构腹板F类钢束、中跨底板CB类钢束、中跨顶板CT类钢束采用群锚双向张拉，边跨边跨底板SB类钢束、边跨顶板ST类钢束采用群锚单向张拉。

（2）横向预应力含桥面板横向预应力、中横梁横向预应力及端横梁横向预应力。横向预应力以单端张拉方式为主。横向预应力钢束采用的高强度低松弛钢绞线，桥面板横向预应力钢束管道采用扁形塑料波纹管及扁型预应力锚具；中横梁、端横梁横向预应力采用采用圆形塑料波纹管及圆形群锚。

（3）竖向预应力设置在各梁段腹板及中墩顶部中横梁处。各梁段腹板内竖向预应力筋均采用的高强度低松弛钢绞线，每侧腹板纵向基准间距为50cm，张拉工艺参照按照《二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系设计、施工和验收规范》（DB43/T801-2013）执行。0号梁段中横梁处竖向预应力钢束采用的高强度低松弛钢绞线。

1.3主要技术标准

（1）设计行车速度：100km/h

（2）荷载等级：公路—I级

（3）设计洪水频率：特大桥1/300，大、中桥1/100

（4）结构设计基准期：100年

（5）设计使用年限：主体结构100年，伸缩缝、支座等可更换构件为15年

（6）抗震设防：地震动加速度峰值为0.05g，抗震设防基本烈度为VI，抗震设防类别为B类。抗震设防措施等级为二级

（7）桥梁、涵洞所处环境类别：Ⅰ类

（8）桥梁标准宽度为：整体式路基宽度26m，桥梁宽2×12.75m，桥宽组成0.50m（护栏）+11.75m（桥面净宽）+0.50m（护栏）+0.5m（空隙）+0.50m（护栏）+11.75m（桥面净宽）+0.50m（护栏）；

2、规范中的预拱度设置要求及分析

桥梁设置预拱度最终目的是使桥面沿桥梁纵向有一个平顺的曲线，车辆在其上行驶能够保持平稳；而且能够使桥梁侧面的线形保持美观。

大多数人都认为预应力钢筋混凝土梁都是向上弯曲，一般不需要设置预拱度。这种观点针对全预应力混凝土或许正确，全预应力梁消压弯矩始终远大于由结构自重引起的弯矩。但对部分预应力混凝土梁，尤其是允许开裂的预应力混凝土梁，梁的上拱度将大为减小，如果桥梁的恒活载比例较大时，随时间增长而梁有可能逐渐向下挠曲。因此，预应力混凝土梁在必要时也要设置预拱度。规范[3]中按下面两种情况考虑：

（1）当预应力产生的长期反拱值大于按荷载频遇组合计算的长期挠度时，此时梁的上拱值巳经很大，在消除结构自重的长期挠度后，桥梁仍保持大于活载频遇值长期挠度的上拱值，无须设置预拱度，特别是跨径较小恒活载比例较小时，当桥上出现空载时，预加应力反拱值过大对桥梁造成不利影响可能性就越大。因此，桥梁设计阶段要充分预计到这种情况，采取适当措施例如降低预应力度或反预拱等。

（2）当预加应力的长期反拱值小于按荷载频遇组合计算的长期挠度时，此时在消除结构自重的长期挠度后桥梁的上拱值很小，一般与桥梁跨径不成比例，需要设置预拱度，其值取用荷载频遇组合的长期挠度值与预加应力长期反拱值之差，即使桥梁的上拱值保持活载频遇值的长期挠度值。

本文预拱度的设置按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018第6．5．5条规定，施工阶段和成桥阶段对预拱度的影响因素有：梁体结构自重、二期恒载、预应力效应、混凝土的收缩和徐变、挂篮变形、预应力、二期恒载及汽车荷载，预拱度的设置过程如下：

3、有限元计算分析

（1）主要计算参数的选取情况

1）设计参数

设计安全等级：一级。

结构重要性系数：1.1。

设计环境类别：I类。

年平均相对湿度：70～99％。

整体升降温差：±20℃。

竖向日照正温差：考虑沥青铺装层对梯度温度的影响，按现行规范规定取值。

预应力管道：管道摩擦系数ｕ＝0.2，管道偏差系数κ＝0.0015。

纵向预应力锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值：6mm。

（2）恒载

恒载按实际断面计取重量。水泥混凝土容重取26kN/m3，沥青混凝土容重取24kN/m3。

（3）汽车荷载

汽车荷载采用公路I级车道荷载，半幅桥按桥宽根据规范[4]选取设计车道数，车道加载时的横向折减系数按规范[4]取值。汽车冲击力、制动力根据规范[4]进行计算。

（4）基础变位

桥梁基础变位量按照主墩10mm、边墩5mm进行控制。

（5）风荷载

考虑桥面高度处为25m/s的运营风速和百年一遇的设计风速两种情况，按照风的方向与桥梁轴线的相对关系，分为顺桥向风荷载和横桥向风荷载。

（6）抗震验算主要计算参数

地震基本烈度：VI度

地震动峰值加速度：0.05g

地震动反应谱特征周期Tg：0.35s

场地类别：Ⅰ类

结构阻尼比ζ：0.05

（7）有限元计算模型

通过有限元对左幅刚构桥的施工全过程、体系转换进行建模模拟分析，全桥共划分113个节点，108个单元。

图3左幅计算模型简图（桥宽16.75m，单箱双室）

为研究各主要因素对预拱度的影响大小，对恒载、收缩徐变、汽车荷载分别进行了分析，它们独自引起的变形大小沿桥纵轴线的变化如图4所示，恒载引起的最大挠度为39.8mm(竖直向下)，收缩徐变引起的最大挠度变形分别为4.7mm(竖直向下)和8.5mm(竖直向下),汽车荷载引起的最大变形为10.2mm(竖直向下)。

图4不同作用下梁体变形值

预拱度为荷载频遇组合的长期挠度值与预加应力长期反拱值如图5所示，根据前述理论预拱度为两者之差，再结合实际施工方案考虑施工支架等引起的弹性和非弹性变形对预拱度进行实时修正，并将预拱度换算成标高用于指导现场施工监控。

图5预拱度曲线

4、结论

4.1、采用有限元通用软件Midas2022对刚构桥预拱度进行预测与分析，结果表明影响预拱度的主要因素有：恒载、预应力、收缩徐变和汽车荷载，其产生的最大位移分别为39.8mm、4.7mm、8.5mm(竖直向下)和10.2mm(竖直向下)。

4.2、施工阶段混凝土自重和预应力对结构挠度的影响大，现场应根据实际施工方案实测弹模修正模型，施工中采用张拉应力和伸长量双控，并通过理论计算挠度并与实测对比来不断调整标高。

4.3成桥阶段活载对成桥预拱度的影响最大，设置时需考虑长期增长系数来增大动挠度对结构的影响。

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图6桥梁考虑预拱度的Midas模型

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5结语

本文以湖南某高速公路一座刚构桥为例，根据现行规范和既有预应力刚构桥悬臂施工线性控制理论，采用Midas2022程序对其施工和成桥状态进行有限元模拟。详细叙述了大跨度预应力混凝土连续箱梁悬臂拼装施工线形计算过程，指出影响预拱度的主要因素并提出理论预拱度在实际施工中应用的注意事项，可直接指导本桥梁的施工与监控，施工过程中按照理论预拱度并结合施工方案进行修正，桥梁最终能够达到与设计相符的线性。

参考文献：

[1]J．C．ReynoldsJ．H．Emanuel．ThermalStressandMovementsinBridges．JournaloftheStructure

pision，ASCE．1974．

[2]周益峰．大跨径悬浇连续梁桥施工控制及关键技术研究[D]．长沙理工大学，2018．6-7.

[3]JTG3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[S]：72-73.

[4]JTGD60-2015 《公路桥涵设计通用规范》[S].

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