高墩單T構橋合理成橋線型優化

李 寧，代鈞元

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶交通建設(集團)有限責任公司，重慶 400010)

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高墩單T構橋合理成橋線型優化

李 寧1，代鈞元2

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶交通建設(集團)有限責任公司，重慶 400010)

高墩大跨度單T構橋在現階段橋梁建設中得到了廣泛應用，但目前關于單T構橋成橋線型控制的研究較少。文章運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析，并對混凝土收縮徐變、墩高、跨徑等參數進行敏感性分析。分析研究表明：混凝土收縮徐變100年成橋線型仍然在下撓變化，成橋初期影響較大，成橋后期影響較小；高墩對成橋線型的影響很大，在對線型的施工監控中要引起重視；單T構橋最大下撓點的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間。

單T構橋；收縮徐變；墩高；跨徑；預拱度；成橋線型；仿真分析

0 引言

由于預應力混凝土剛構橋跨越能力大、受力合理、結構整體穩定性能好，施工工藝相對簡單，橋面連續行車平緩舒適，造型較簡單，建設投資、后期的養護

費用及技術復雜程度比同跨徑的斜拉橋和懸索橋要低，近年來在道路橋梁建設中得到越來越廣泛的應用。由于懸臂施工法是建造預應力混凝土剛構橋最常用的施工方法，因此施工監控中線型控制問題是這類橋梁施工過程中的關鍵性問題之一[1，2]。

目前國內外對預應力混凝土連續剛構橋做了大量研究，對預應力混凝土連續剛構橋的施工控制理論與方法[3，4]及預拱度的設置方法[5，6]做了詳細的介紹，同時對線型的誤差因素以及參數的敏感性[7，8]進行了分析。但是對預應力混凝土單T構橋的研究卻很少，本文分別以40 m、90 m、115 m跨徑的某三座大橋為工程背景，運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析，并對混凝土收縮徐變、墩高、跨徑等參數進行敏感性分析，得到對于單T構橋下撓的最大位置點以及各參數對成橋線型的影響，從而進行合理成橋線型優化。

1 合理成橋線型參數優化

敏感性分析是指從定量分析的角度研究有關因素發生某種變化對某一個或一組關鍵指標影響程度的一種不確定分析技術。其實質是通過逐一改變相關變量數值的方法來解釋關鍵指標受這些因素變動影響大小的規律。本文對混凝土收縮徐變、墩高、跨徑三個因素進行敏感性分析，從而得到對成橋線型的影響。

橋梁結構的理論計算通常采用有限元法進行分析，主要是對各節段施工工況下的相應截面的應力、位移進行分析，作為施工監控的依據。施工監控過程中，最關鍵的是要能較為真實地對實際的施工過程進行軟件模擬，準確計算出預應力、混凝土收縮徐變等因素引起的變形和應變。因此為完善結構的仿真計算模型，計算中要充分考慮混凝土的收縮、徐變、環境溫度、濕度以及預應力荷載等因素對施工過程中橋梁結構的影響，從而使軟件計算的結果與橋梁結構的實際力學性能更為接近。

1.1 混凝土收縮徐變持荷時間對線型的影響

本文分別以40 m、90 m、115 m跨徑的某三座大橋為工程背景，運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析，其立面、橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型立面、橫斷面示意圖

對預應力混凝土橋梁而言，混凝土收縮、徐變對結構變形、內力有較大的影響，尤其是對大跨徑預應力混凝土T構橋，影響混凝土收縮徐變的因素有很多，主要有混凝土原材料及配合比、加荷齡期、持荷時間、環境相對濕度與溫度、結構尺寸等。根據公路橋涵設計通用規范(ITG D60-2004)1.0.6規定：公路橋涵結構的設計基準期為100年[9]，因此本文以成橋1～100年內的混凝土收縮徐變對線型(墩頂)的影響作分析研究。

通過MIDAS/CIVIL軟件對模型進行數據分析可知：從成橋開始到成橋100年，混凝土收縮徐變影響下的墩頂位移一直在不斷增大，40 m、90 m、115 m跨徑成橋100年混凝土收縮徐變造成墩頂下撓位移分別為-4.07 mm、-7.99 mm、-30.85 mm；成橋10年墩頂位移變化量分別為-1.58 mm、-3.79 mm、-16.84 mm；成橋10～100年墩頂位移變化量分別為-2.49 mm、-4.20 mm、-14.01 mm。見下頁表1、圖2。

通過對表1、圖2中混凝土收縮徐變影響下的不同成橋階段墩頂位移及位移變化量研究分析，可得：混凝土收縮徐變100年成橋線型仍然在下撓變化；成橋初期(一般為10年內)每年的位移變化快，下撓較大，混凝土收縮徐變對線型影響較大；成橋后期(一般為10～100年)位移變化量逐年減小，下撓緩慢，混凝土收縮徐變對線型影響逐年減小。因此，在施工監控中運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析時，在公路橋涵結構的設計基準期為100年的前提下，混凝土收縮徐變時間參數應設置為100年，以最大可能降低混凝土收縮徐變對成橋線型的影響。

表1 混凝土收縮徐變影響下墩頂位移隨成橋時間變化表

圖2 混凝土收縮徐變單獨階段影響下墩頂位移隨成橋時間變化曲線圖

1.2 墩高對線型的影響

高墩大跨度單T構橋在現階段橋梁建設中得到廣泛的應用，由于在施工中主梁和墩之間常采用剛性連接，因此在施工監控中除考慮主梁的線型變化外，還應該考慮高墩對目標線型的影響。由于對溫度、濕度變化、混凝土收縮徐變、預應力作用等因素比較敏感，所以不同的墩高對成橋線型的影響是不同的，本文對40 m、80 m、120 m墩高進行研究分析。

通過MIDAS/CIVIL軟件對模型進行數據分析可知：40 m跨徑單T構橋，墩高40 m墩沉降-15.17 mm，墩高80 m墩沉降-38.28 mm，比40 m墩高沉降量增加-23.11 mm，墩高120 m墩沉降-60.32 mm，比80 m墩高沉降量增加-22.04 mm；90 m跨徑單T構橋，墩高40 m墩沉降-14.86 mm，墩高80 m墩沉降-33.06 mm，比40 m墩高沉降量增加-18.20 mm，墩高120 m墩沉降-54.60 mm，比80 m墩高沉降量增加-21.54 mm；115 m跨徑單T構橋，墩高40 m墩沉降-25.00 mm，墩高80 m墩沉降-54.00 mm，比40 m墩高沉降量增加-29.00 mm，墩高120 m墩沉降-85.42 mm，比80 m墩高沉降量增加-31.42 mm。見表2、圖3。

表2 不同墩高影響下墩頂位移變化表

圖3 不同墩高影響下墩頂位移沉降量曲線圖

通過對表2、圖3墩頂沉降位移曲線的變化，可得：同一跨徑墩越高，墩沉降位移越大，墩的沉降速度越快；雖然墩越高墩的沉降速度越快，但每增加40 m墩高，沉降速度變化值卻很小，因此可近似認為同一跨度墩高的沉降速度值是一個常數，可得墩高和沉降位移的表達式：y=kh,k為常數。總之，高墩對成橋線型的影響很大，在對線型的施工監控中要引起足夠的重視。

1.3 跨徑對線型的影響

現階段對大跨度連續剛構橋的研究與應用較多，研究表明連續剛構橋的最大下撓點在中跨跨中位置，而對大跨度的單T構橋的最大下撓點的位置研究卻很少，本文對40m、90m、115m跨徑的單T構橋進行研究分析。

通過MIDAS/CIVIL軟件對模型進行數據分析可知：40m跨徑單T構橋最大下撓點離墩頂29.5m，即0.74L；90m跨徑單T構橋最大下撓點離墩頂64m，即0.71L；40m跨徑單T構橋最大下撓點離墩頂93m，即0.1L，見表3。

表3 不同跨徑下最大下撓點的位置表(不考慮墩的影響)

由表3可知：對單T構橋，最大下撓點的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間；不同跨徑下單T構橋的最大下撓位置點略有不同。

1.4 目標預供度的計算方法

目前高墩大跨度連續剛構橋線型控制一般采用控制中跨跨中位置的預拱度來實現，連續剛構橋目標預拱度由成橋預拱度和施工預拱度組成，其中影響成橋預拱度的因素包括后期混凝土收縮徐變及1/2活載影響；影響施工預拱度的因素包括梁體自重、預應力、掛籃變形、前期收縮徐變、墩身變形、溫度影響、施工荷載及二期恒載。而對于單T構橋，通過上述對墩高和主梁跨徑的研究分析可知，可采用控制最大位置點處的目標預拱度來控制線型，即：

H=h主梁+h墩+h1/2活載

(1)

式中，H——目標預拱度；

h主梁——主梁預拱度(不考慮墩沉降的影響)；

h墩——墩沉降產生的預拱度；

h1/2活載——1/2活載產生的預拱度。

目標預拱度示意圖如圖4所示：

圖4 目標預拱度示意圖

2 工程實例

2.1 工程概況

某大橋位于酉陽縣銅鑼鄉西村官渡灘，設計為分離式雙幅橋。右副橋橋跨布置為(2×115+5×30+4×30)m，左幅橋橋跨布置為(2×115+4×30+4×30)m。主橋為2×115m預應力混凝土T構橋。主橋箱梁為預應力混凝土結構，箱梁頂板寬11m，底板寬6.6m。箱梁邊跨現澆段梁高為4.5m，墩頂0#塊梁高為15.5m。T型剛構主墩為9×8m的分離式矩形空心墩，左幅橋墩墩高為85.749m，右幅墩高為91.667m。

圖5 某大橋(主橋)整體布置圖

2.2 有限元模型建立

為充分考慮結構的空間效應，提高結構計算結果的精確性，采用空間橋梁分析軟件MIDAS/CIVIL進行計算。將橋墩墩底設置為固定端，為了使墩頂與主梁連接處有相同位移，主墩墩頂采用彈性連接類型中的剛接將其連接起來，橋臺、過渡墩墩頂永久支撐采用活動鉸支座，邊跨現澆段的臨時支座設置為固定鉸支座。此橋計算模型共劃分成82個單元，其中上部結構劃分成62個單元，下部劃分成20個單元，如圖6所示。

2.3 計算分析

根據上述對合理成橋線型參數優化分析可知，運用MIDAS/CIVIL軟件對模型進行數據分析時，后期混凝土收縮徐變時間設置為100年，并充分考慮梁體自重、預應力、掛籃變形、墩身變形、溫度、濕度、施工荷載、二期恒載及1/2活載的影響，通過結構幾何設計參數：H=h主梁+h墩+h1/2活載，對預拱度的設置使結構的成橋線型更加理想，同時減小橋梁長期運營后收縮徐變等因素的影響。分析數據表明：距墩頂93m、30節點處主梁變形值最大，變形-5.36cm；在墩頂(節點53)處墩沉降最大，沉降-7.08cm，從墩頂向兩邊墩的沉降量逐漸減小；后期100年混凝土收縮徐變單獨階段在墩頂處影響最大，值為-3.09cm，從墩頂向兩邊變形值逐漸減小，見圖7。

由圖7可知，充分考慮后期混凝土收縮徐變及墩沉降的影響，合理優化成橋線型，通過控制最大下撓點的目標預拱度來控制整體線型，最終得到合理優化的成橋線型。

圖7 主梁、墩、1/2活載及目標預拱度示意圖

3 結語

通過運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析，并對合理成橋線型參數優化分析得出以下結論：

(1)混凝土收縮徐變100年后成橋線型仍然在下撓變化；成橋初期(一般為10年內)混凝土收縮徐變對線型影響較大；成橋后期(一般為10～100年)混凝土收縮徐變對線型影響逐年減小。在施工監控中運用MIDAS/CIVIL對全橋進行仿真分析時，應考慮后期100年混凝土收縮徐變的影響，以最大可能降低混凝土收縮徐變對成橋線型的影響。

(2)同一跨徑墩越高，墩沉降位移越大，近似取同一跨度墩高的沉降速度值是一個常數，可得墩高和沉降位移的表達式：y=kh,k為常數。總之，高墩對成橋線型的影響很大，在對線型的施工監控中要引起足夠的重視。

(3)對單T構橋，最大下撓點的位置(離墩頂)近似在3/5L～4/5L之間；不同跨徑下單T構橋的最大下撓位置點略有不同。通過對墩高和主梁跨徑的研究分析可知，可采用控制最大位置點處的目標預拱度來控制線型，此結論對同類橋梁的線型控制提供參考價值。

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[4]潘 喜，連續剛構橋梁施工控制[J].黑龍江交通科技，2013(6)：112.

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[9]JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

Reasonable Bridge Linear Optimization of High-pier Single T Frame Bridge

LI Ning1，DAI Jun-yuan2

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074；2.Chongqing Communications Construction(Group)Co.，Ltd.，Chongqing，400010)

High-pier large-span single T frame bridge has been widely used in current bridge construction，but currently there are few studies on bridge linear control of single T frame bridges.This article conducted the simulation analysis on whole bridge by using MIDAS/CIVIL，and conducted the sensitivity analysis on the concrete shrinkage and creep，pier height，span and other parameters.Analysis and study showed that：for the concrete shrinkage and creep，the linear of 100-years-old bridge is still chan-ging in the down-warping，with a greater impact right after bridge completion，and a smaller impact at the later period；the high pier has a significant impact on bridge linear，thus the linear construction mo-nitoring shall be emphasized；the largest down-warping point(from the top of the pier)of single T frame bridge is approximately between 3/5L～4/5L.

Single T frame bridge；Shrinkage and creep；Pier height；Span；Camber；Bridge linear；Simulation analysis

李 寧(1986—)，碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。

U448.23+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.012

1673-4874(2015)01-0052-06

2014-12-10