大跨径连续刚构桥预拱度设置分析

大跨径连续刚构桥预拱度设置分析

曾顺得

重庆交通大学 土木工程学院 重庆市 400074

摘要：大跨径连续刚构桥多采用挂篮悬臂浇筑法施工，为了消除施工过程中各种荷载以及后期运营阶段收缩徐变、预应力损失等各种因素对桥梁线形的影响，需要设置预拱度。本文以某连续刚构桥为背景，利用MIDAS/Civil软件进行仿真分析，分别按二次抛物线和余弦曲线进行分配成桥预拱度，对比分析，为同类型桥梁预拱度设置提供参考依据。

关键词：连续刚构桥；预拱度；二次抛物线；余弦曲线

1 引言

连续刚构桥具有结构受力性能优越、施工技术成熟和造型美观等优点，是桥梁建设的主要桥型之一。但连续刚构桥多采用挂篮悬臂浇筑法施工，整体结构形式为“T”形，而“T”形结构在施工过程中因为立模标高的不同导致成桥线形的不确定，给施工带来很大的难度和挑战。因此，在预应力混凝土连续刚构桥施工过程中，对桥梁线形的施工监控就显得尤为重要。为了使桥梁最终线形与设计线形一致，施工过程中的立模标高要设计高程的基础上增加预拱度。预拱度的设置是桥梁线形的施工监控的基础，预拱度设置是否合理，直接关系到桥梁的成桥线形、合龙误差、以及桥梁后期运营状况。

连续刚构桥采用挂篮悬臂浇筑法施工，箱梁节段立模标高中设置的预拱度，包括施工预拱度和成桥预拱度。施工预拱度是为了消除在施工过程中由各种荷载对主梁线形的影响。成桥预拱度是为了消除后期运营阶段由混凝土的收缩徐变、后期预应力损失、活载变形等因素对线形的影响。施工预拱度是由理论模型计算所得，成桥预拱度的数值是根据桥梁在后期运营过程中的跨中下挠经验值来确定的，没有统一的标准。

2 预拱度设置及分配

预应力混凝土连续刚构桥主梁预拱度值通常按下式计算：

其中为桥梁预拱度；为施工预拱度，为一期恒载、二期恒载在施工阶段各节点竖向位移的负数；为成桥永久预拱度，即成桥后期收缩徐变加上1/2活载引起的变形的负数。

现阶段成桥预拱度设置主要根据经验，中跨跨中最大成桥预拱度取L/1500~L/1000，然利用曲线分配。预拱度分配方式主要包含二次抛物线法分配和余弦曲线法分配，二次抛物线是目前连续刚构桥中最常用的一种方法；而按余弦曲线法分配，余弦曲线是在各墩顶两曲线相接处、最大预拱度处的切线斜率为零，能满足桥面线形平顺。对于边跨预拱度设置，理论计算结果表明，其最大挠度一般发生在3L/8处（L为边跨长度）。刚构桥采用墩梁固结方式连接，由变形协调可知，转角位移会使跨中下挠，边跨上挠。因此，边跨成桥预拱度一般设置较小，大小约为中跨最大挠度的1/4。

（1）二次抛物线分配

中跨成桥预拱度的二次抛物线函数为：

边跨成桥预拱度的二次抛物线函数为：

其中为中跨跨径，为边跨跨径，为中跨跨中成桥预拱度。

（2）余弦曲线法分配

中跨成桥预拱度的余弦曲线函数为：

边跨成桥预拱度的余弦曲线函数为：

其中为中跨跨径，为边跨跨径，为中跨跨中成桥预拱度。

3 工程实例计算分析

3.1 工程背景

某连续刚构桥全长180m，桥跨布置为（50+80+50）m的预应力混凝土连续刚构，主桥上部结构单幅桥采用单箱双室变截面直腹板箱梁，顶板宽16.0m，底板宽11.0m，两侧各悬臂长2.5m。箱梁根部梁高5.0m，跨中及边跨合龙段梁高为2.2m，悬臂端梁高2.5m，箱梁根部底板厚60cm，箱梁顶板厚度0号块为75cm，其余为28cm；箱梁底板厚度0号块为125cm，跨中底板厚30cm，其它梁段梁高、底板厚度均按照1.5次抛物线变化。边跨现浇段处设置宽度为1.8m的端横梁。箱梁横桥向底板保持水平，顶板横坡由腹板高度的变化形成。箱梁0号梁段长10m（包括桥墩两侧各外伸3.0m），每“T”纵桥向划分为9个梁段，梁段长度从根部至端部分别为8×3.75m、1×4m，悬臂总长34m。1#～9#梁段采用挂篮悬臂浇筑施工。全桥两幅共有6个合龙段，合龙段长度均为2m，边跨现浇段长8.92m。

3.2 预拱度值的确定

根据有限元模型计算施工预拱度，提取成桥位移（包括一期恒载+二期恒载）、汽车荷载和人群荷载，该桥边跨永久预拱度取3.6cm，中跨永久预拱度取6cm，该值系根据L/1000~L/1500经验值（L为主跨跨径），结合该桥主梁刚度综合确定。成桥预拱度值分别按照二次抛物线分配法和余弦曲线分配法确定，主梁成桥预拱度分配结果如图2所示。

图1主梁成桥预拱度（单位：m）

从图1中可以看出，按二次抛物线分配的成桥预拱度值在墩顶和跨中位置附近与按余弦曲线分配的成桥预拱度值相同，两条曲线吻合度较高，最大预拱度值均为0.062m；在全桥其他位置按二次抛物线分配均比按余弦曲线分配的成桥预拱度值更大。从全桥来看，两种成桥预拱度值经验分配曲线布置的趋势大致相同，成桥预拱度值在边跨均是沿纵桥向方向先增大后减小，约在3L/8处（L为边跨长度）取得最大值。中跨在跨中有最大预拱度值，且沿桥两边依次减小，对称分配。但是在墩顶位置处，按二次抛物线分配的成桥预拱度值曲线呈现尖角状态，而按余弦曲线分配法取得的成桥预拱度值曲线切线斜率为零，较按二次抛物线分配的成桥预拱度值更为平缓，更能满足桥梁最终线形平顺的要求。

4 结论

本文通过使用有限元软件对工程实例进行模拟，综合考虑一期恒载、二期恒载、汽车人群荷载和后期十年收缩徐变所产生的变形，计算分析预拱度。着重分析了大跨径连续刚构桥的成桥预拱度值，介绍了成桥预拱度值分配的两种方法：二次抛物线分配法和余弦曲线分配法。对比两种分配方法得出以下结论：

1）连续刚构桥边跨预拱度值远小于中跨预拱度值，边跨最大预拱度值在大约3L/8处取得，中跨最大预拱度值在跨中取得。

2）两种成桥预拱度分配方法计算结果趋势较为相似，但按余弦曲线分配法取得的成桥预拱度值较按二次抛物线分配更为平缓，更能使桥梁最终线形平顺。

参考文献：

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