曲線連續剛構橋結構與橫向預偏量計算分析

蔣嚴波，朱政敏，陳光輝

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西　南寧　530001；2.廣西新發展交通集團有限公司，廣西　南寧　530001)

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曲線連續剛構橋結構與橫向預偏量計算分析

蔣嚴波1，朱政敏2，陳光輝1

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧530001；2.廣西新發展交通集團有限公司，廣西南寧530001)

蔣嚴波(1982—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工技術管理；

朱政敏(1970—)，高級工程師，研究方向：公路橋梁施工技術管理與研究；

陳光輝(1974—)，教授級高級工程師，研究方向：公路橋梁施工技術管理與研究。

摘要：文章以梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋施工為例，建立空間有限元模型，分析了預應力曲線連續剛構橋最大懸臂階段和成橋階段二期恒載、活載、混凝土收縮徐變等因素影響下的結構特性，提出了曲線連續剛構橋橫向預偏量的計算方法。

關鍵詞：曲線連續剛構橋；結構分析；橫向位移；橫向預偏量；計算分析

0引言

高墩身、大跨度、小半徑的預應力曲線連續剛構橋由于其曲線適應性好、造價較低，在山區高速公路中被廣泛應用，但由于其彎-扭耦合作用的存在，主梁及主墩產生橫向位移，墩身根部存在附加側向彎矩，主梁平面線形難以滿足規范要求，因此，應采用橫向預偏量補償墩身橫向位移。橫向預偏量產生的原理，國內外許多學者已經進行了廣泛深入地分析和研究[1-6]，取得相關的理論成果，但是對于目前對高墩應力曲線連續剛構橋橫向位移的預偏量計算方法，國內外研究尚無相關定義。本文以梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋為背景，建

立空間有限元模型，分析了主橋懸臂施工階段和合攏后自重(施加二期恒載)、活載、混凝土收縮徐變等影響因素產生的橫向位移等結構特性，提出了曲線連續剛構橋橫向預偏量的計算方法。

1工程概況

圖1　狼沖口特大橋效果圖

梧州至柳州高速公路狼沖口特大橋位于廣西平南縣大鵬鎮境內，橋梁全長1 224 m，線形為R=1 150 m右偏圓曲線，如圖1所示。其中9#、10#、14#、15#墩為主墩，9#墩高度為86 m，主橋為55 m+100 m+55 m預應力混凝土連續箱梁結構，主梁斷面形式為單箱單室截面，如圖2所示，箱寬6.75 m，翼板懸臂3.0 m，全寬12.75 m，橫坡4%，縱坡2.5%，箱梁根部中心梁高5.735 m，過渡墩部及跨中中心梁高2.635 m。箱梁0#塊長10 m，主梁劃分為12個節段。

該橋施工中0#塊、邊跨現澆段采用牛腿托架法施工，T構懸臂部分采用掛籃懸臂澆筑對稱施工，主梁采用先邊跨、后中跨的預張拉合攏技術。

圖2　主梁橫斷面圖

2主橋模型的建立

采用MIDAS/CIVIL軟件，建立主橋梁單元計算模型。主橋全長210 m，全橋共分50個梁段單元(不計橋墩)，滿堂現澆段長度為4.0 m，分為2個單元；邊跨合攏段長2 m，為1個單元；中跨合攏段長2 m，分為2個單元，各1 m；0#塊橋墩為10 m，劃分為3個單元，各為(2.5+5+2.5)m，之后由橋墩向兩邊對稱懸出為4×3.75 m梁段，4.5 m梁段，5×4.9 m梁段。建立的模型如圖3所示。邊界條件采用墩底固結，梁端考慮雙支座的靜定支承體系。荷載主要考慮恒載、張拉力、混凝土收縮與徐變以及掛籃等荷載。

(a)

(b)

圖3主橋分析模型圖

3計算結果分析

本文選取主橋最大懸臂施工狀態以及合攏后施加二期恒載、活載、10年收縮徐變等四個階段進行橫向位移、內力、應力等結構特性分析。

3.1主梁橫向位移、內力與應力

(1)主梁橫向位移

主梁4個階段的橫向位移如圖4所示，主梁合攏前后，以及活載、10年收縮徐變的橫向位移較小，主梁懸臂現澆對稱施工是主橋產生橫向位移的主要階段，隨著節箱梁的延長，節段重心偏離主墩縱向中軸線，向平面圓曲線內側徑向橫移，扭矩效應產生并逐漸向前節段累積，16#～22#節點(墩頂)主梁發生的最大橫向位移(見圖4)為-13.5 mm。邊跨、中跨合攏后，主橋成為整體的預應力連續超靜定結構，二期恒載、活載在主梁上的施加均較難產生橫向位移，橫向位移較合攏前變小，10年收縮徐變再次使主梁內力重新分配，邊跨兩端向曲線外側橫移2.2 mm。

圖4　主梁橫向位移曲線圖

(2)主梁內力

主梁縱向彎矩最大懸臂狀態下影響最大，如圖5所示，墩頂附近為-84 773 kN·m，呈對稱分布。主橋合攏后，結構體系發生轉換，二期恒載與活載彎矩分布變化曲線正彎矩方向擴大，墩頂附近彎矩分別為-56 050 kN·m、-72 230 kN·m。

圖5　主梁各階段扭矩圖

扭矩的產生主要有三大因素：(1)曲線橋橋面設置橫坡，外側腹板重于內側，節段中心線偏離墩頂中心線，N節段相對于N-1節段產生扭矩；(2)平面圓曲線上節段重心偏離主墩縱向中軸線，扭矩效應產生并逐漸向前節段累積；(3)活載按照相關設計標準采用偏載方式加載。

經過計算得出該橋在最大懸臂、二期恒載、活載、10年收縮徐變各工況的主梁扭矩，如圖6所示，活載按照相關設計標準采用偏載方式加載，對主梁產生的影響最大，墩梁固結處為-5 618.36 kN·m，其次是合攏前懸臂施工對扭矩產生的影響。

圖6　主梁各階段扭矩圖

(3)主梁應力

如圖7所示，縱橋向主梁截面均承受壓應力。最大懸臂施工狀態，兩T構截面應力墩梁固結處最大，底板為-9.7 MPa，頂板為-4.0 MPa，底板壓應力大于頂板壓應力。大橋合攏后并施加二期恒載，結構體系發生轉換，受合攏預應力束的影響，主梁的應力重新分配，底板截面應力墩梁固結處最大，為-9.4 MPa，頂板截面應力7#單元(9#塊)最大，為-7.5 MPa，由應力數據的變化可以看出，5#～10#塊頂板應力大于底板壓應力。

圖7　合攏前后主梁應力圖

3.2主墩橫向位移、內力與應力

T構懸臂的彎-扭作用使得高墩曲線連續剛構橋在主墩頂部產生橫向偏移，如圖8所示，最大懸臂階段、二期恒載節段主墩橫向位移隨高度增加呈線性變化，活載以及收縮徐變影響較小。

圖8　主墩橫向位移圖

T構懸臂的彎-扭作用使得墩身頂部產生徑向位移，在墩根部存在橫向彎矩，如表1所示，主橋最大懸臂施工狀態時，主墩根部的內力應力變化較其它階段明顯，主墩根部側向彎矩8 486.33 kN·m，主墩根部應力在平曲線內側較外側壓應力值大25%左右。

表1　主墩(根部)內力與應力值表

4橫向預偏量

主墩在不斷伸長的懸臂彎-扭作用下帶動主梁發生橫向變形，由于混凝土的塑性定形特性，N節段對N-1、N-2等箱梁節段的橫向位移以及平面內的轉動的影響較小，墩梁固結的形式使得墩身根部存在附加永久側向彎矩，為防止產生墩身偏載傾斜過大的破壞，保證主梁的平面線形滿足規范要求，應在墩身橫向位移反方向設置橫向預偏量。

目前國內外對曲線連續剛構橋橫向位移的預偏量計算方法尚無定義，通過參考相關文獻[7]對于橋梁預拱度的計算，提出曲線連續剛構橋橫向預偏量的計算方法：

預偏量△=累計變形(二期恒載)+長期效應(10年收縮徐變值)+活載效應(1/2活載頻遇值)變形。曲線連續剛構橋設置橫向預偏量，為抵消橋梁結構自重、橋面鋪裝及防撞墻等二期恒載、預應力、活載效應(1/2活載頻遇值)、混凝土長期效應(10年徐變收縮值)引起的橫向變形。

圖9　主梁橫向預偏量及實施偏差圖

圖10　主墩橫向預偏量及實施偏差圖

如圖9～10所示，采用上述方法計算的主梁主墩橫向預偏量，主梁預偏數據呈M型變化，墩頂附近預偏值較大，邊跨現澆段及中跨合同段預偏值相對較小。主墩預偏值隨高度呈單向線性變化逐漸增大。大橋線形監控采用方法1在主墩主梁進行預偏實施，現場線形實際測控數據與原設計線形的偏差值在±4.5 mm之內。

5結語

(1)主梁懸臂現澆對稱施工是主橋產生橫向位移的主要階段，邊跨、中跨合攏體系完成轉換后，荷載在主梁上的施加均較難產生橫向位移，10年收縮徐變在邊跨端部能小量值反向修復。

(2)主梁T構懸臂的伸長，節段重心偏離主墩縱向中軸線，墩頂主梁向平面圓曲線內側徑向橫移，扭矩效應產生并逐漸向前節段累積到墩梁結合部，使得墩身偏心受力，墩身根部承受較大的橫橋向附加彎矩。

(3)為防止產生墩身偏載傾斜過大的破壞，保證主梁的平面線形滿足規范要求，提出曲線連續剛構橋橫向預偏量的計算方法，兩種計算結果偏差較小；監控實施后，實測數據與原設計線形的偏差值在±5 mm之內。計算方法和成果可為高墩小半徑同類型橋梁提供參考。

參考文獻

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[7]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

Calculation Analysis on Structure and Lateral Pre-displacement of Curved Continuous Rigid Frame Bridges

JIANG Yan-bo1，ZHU Zheng-min2，CHEN Guang-hui1

(1.Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001；2.Guangxi Xin-fazhan Communications Group，Nanning，Guangxi，530001)

Abstract：With Langchongkou Bridge construction of Wuzhou-Liuzhou Expressway as the example，this article established the spatial finite element model，analyzed the structural characteristics of curved prestressed continuous rigid frame bridge at the longest cantilever stage and bridge completion stage under the impact of Phase 2 dead load，live loads，concrete shrinkage and creep and other factors，and proposed the calculation method for lateral pre-displacement of curved continuous rigid frame bridge.

Keywords：Curved continuous rigid frame bridge；Structural analysis；Transverse displacement；Lateral pre-displacement；Calculation analysis

收稿日期：2016-02-01

文章編號：1673-4874(2016)02-0041-05

中圖分類號：U448.23

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.010

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