大跨徑連續剛構橋長期下撓的施工影響因素參數化分析

林兆新

(寧德沈海復線雙福高速公路有限責任公司，寧德 352000)

0 引言

預應力混凝土連續剛構橋因其跨越能力強、 施工便利、行車舒適等優點，近年來在我國公路建設中得到了廣泛的應用， 已成為180～300m 跨徑橋梁中最具競爭力的結構形式[1]。 但是，大跨徑的預應力混凝土連續剛構橋在運營過程中普遍出現了跨中過量下撓的問題， 影響了結構的壽命和行車舒適性，甚至危及了結構安全[2]。

大跨徑連續剛構橋的長期下撓問題受到多方面因素的影響。 在目前的相關研究中，楊晉文[3]分別研究了混凝土收縮徐變作用對高速公路與高速鐵路連續剛構橋撓度的影響，發現收縮徐變作用在成橋后3～10 年間對連續剛構橋撓度的影響非常大；朱鵬飛等[4]分別對大跨徑連續剛構橋在預應力損失、 混凝土收縮徐變及主梁開裂導致結構剛度降低三種因素影響下的撓度進行了分析， 結果表明剛度損失對連續剛構橋的跨中下撓是影響最大的；顏東煌等[5]就混凝土徐變、預應力損失、主梁開裂、主梁超重等因素對大跨徑連續剛構橋跨中下撓的影響進行了詳細分析，并提出了對應的預防措施。

本文在現有研究基礎上， 以沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段高速公路桐山溪特大橋為例，利用有限元方法計算，探討了混凝土超方、預應力損失、合龍順序、合龍誤差等施工過程中的因素對大跨徑連續剛構橋長期下撓的影響。

1 工程概況

沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段高速公路桐山溪特大橋為(104+200+104)m 的預應力混凝土變截面連續剛構橋，主梁左右幅分離布置，單幅采用單箱單室截面，設計為三向預應力體系，主要采用掛籃懸澆施工，先邊跨合龍，再中跨合龍。

圖1 橋位布置圖(單位：m)

桐山溪特大橋主橋單幅箱梁標準斷面如圖2 所示，箱梁頂寬12m，底寬7m，高度由距主墩中心5.5m 處向跨中方向94.5m 段按1.5 次拋物線變化， 跨中處箱梁高度為4.57m， 支點處箱梁高度為12.57m。 箱梁根部底板厚119.5cm，跨中底板厚32cm，底板厚度按直線變化；根部腹板厚90cm，跨中腹板厚50cm，腹板厚度在變化段按直線漸變，由90cm 變至70cm，再變至50cm；頂板厚30cm，設2%的橫坡。

采用有限元計算軟件橋梁博士建立了桐山溪特大橋整體計算模型，兼顧結構的構造特點、施工工序與計算精度， 將整個上部結構劃分為126 個單元、127 個節點，計算模型如圖3 所示。

圖2 主梁標準斷面圖(單位：cm)

圖3 計算模型示意圖

為便于觀察結構跨中長期下撓的變化趨勢， 本文以各情況下的成橋時跨中撓度為基準， 以不同成橋時間后的跨中撓度與成橋時跨中撓度的差值作為 “跨中撓度增量”，對計算結果進行說明。

2 混凝土超方的影響

自重是影響橋梁結構長期變形的主要荷載。 當橋梁結構的實際自重大于設計值時，自重彎矩增大，使得原有的預應力配置不足，直接增大結構下撓，從而進一步引起結構長期下撓的增加。從工程實踐來看，采用現場澆筑施工的大跨徑預應力混凝土梁橋結構自重的偏差不容忽視。一般來說，引起混凝土橋梁結構自重偏差的原因主要有兩個： 混凝土材料由于配合比出現誤差而造成的實際容重偏差， 以及混凝土現場澆筑過程中出現脹模現象而導致的混凝土超方。其中，超方引起的結構自重偏差往往較為顯著一些。

根據工程實踐經驗， 混凝土在澆筑過程中由于脹模等原因引起的超方普遍會導致結構自重增加2%～3%左右。 由于小范圍內出現局部超方的情況對全橋變形的影響相對較小， 本文針對全橋范圍內出現超方的情況進行研究， 分別考慮混凝土澆筑過程中不超方及脹模超方1%、2%、3%、4%、5%對跨中長期下撓的影響， 結果如圖4、圖5 所示。

圖4 混凝土超方對跨中長期撓度的影響

圖5 混凝土超方與跨中撓度長期增長的比例關系

可以看出，隨著混凝土超方比例的增加，大跨徑連續剛構橋跨中長期撓度增量也不斷增加。 在只考慮混凝土超方引起的結構自重增加影響下， 由于結構體系特性沒有變化，跨中撓度增量隨著超方比例的增加而逐漸增加。超方比例達到5%時， 成橋30 年的跨中撓度增量增加了5mm 左右。

另一方面， 圖5 表明不同成橋時間后的跨中撓度增長比例與混凝土超方比例基本保持線性關系。 這是由于隨著成橋時間的推移，混凝土凝結程度不斷提高，結構的剛度不斷趨向于設計剛度， 導致不同成橋時期跨中撓度對超方的敏感性不同，具體表現為成橋時間越久，下撓隨超方比例增加而增長的速率越慢。

3 預應力損失的影響

預應力混凝土連續剛構橋設計中考慮了預應力作用與恒載、活載相互平衡。 當預應力損失過大時，預應力效應也將與恒載、活載產生的效應不匹配，進而影響跨中撓度。 根據 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[6]中的相關規定，計算得到了桐山溪特大橋的理論預應力損失， 并在此基礎上分別將預應力損失增大了5%、10%、15%、20%、25%及30%， 得到了預應力損失對跨中長期撓度增量的影響，結果如圖6 所示。

圖6 預應力損失對跨中長期撓度的影響

可以看出，隨著預應力損失的增加，跨中長期撓度的增量也隨之增加。 當預應力損失增加10%時，成橋30 年的跨中撓度增量比理論狀態增加了約14mm； 當預應力損失增加30%時，成橋30 年的跨中撓度增量比理論狀態增加了約40mm。 預應力損失對跨中長期撓度的影響非常明顯。

4 合龍順序的影響

采用平衡懸臂澆筑法施工的大跨徑連續剛構橋最終將由兩個大懸臂合龍成橋，合龍可采用“先中跨后邊跨”和“先邊跨后中跨”兩種工序進行。 合龍順序是連續剛構橋施工過程中的關鍵問題。首先，合龍改變了合龍段所在跨的靜定性質及澆筑梁段的收縮徐變進程， 隨著超靜定次數和收縮徐變的變化， 橋梁將產生與施工工序關聯較大的內力重分布， 影響成橋結構的位移和內力狀態；其次，合龍順序是施工控制的敏感因素，每批合龍的內容不同，施工的難易程度就有所不同，對施工誤差的累積有一定影響。 桐山溪特大橋為(104+200+104)m 三跨連續剛構橋，原設計采用“先邊跨后中跨”的合龍順序。為了研究不同合龍順序對成橋后跨中長期撓度的影響， 分別對兩種合龍順序進行分析，結果如圖7 所示。

圖7 合龍順序對跨中長期撓度的影響

可以看出，采用“先中跨后邊跨”合龍順序時的結構跨中長期撓度增量較大。成橋30 年時，采用“先中跨后邊跨”合龍順序比采用“先邊跨后中跨”合龍順序的跨中撓度增量增加了約1.5mm。

5 合龍誤差的影響

對于懸臂澆筑施工的大跨預應力混凝土連續剛構橋來說，如果懸臂澆筑過程中施工線形控制良好，最終合龍時合龍段兩側應基本處于一平順的線形上， 按照正常施工工序合龍即可。 但是，如果合龍段兩側高差較大，則必須采取一定措施強制合龍， 這種情況會對結構的整體受力產生一定程度的影響。以桐山溪特大橋為例，假設合龍時合龍段兩側高程誤差分別為5.5cm 和11cm，通過施加強制力(懸臂端部壓重)使兩端主梁水平進行合龍，在合龍成橋后解除強制力，計算得到了結構跨中的長期撓度，并與合龍時合龍段兩側高程無誤差的情況相比較， 結果如圖8 所示。

圖8 合龍誤差對跨中長期撓度的影響

可以看出， 考慮合龍誤差后跨中撓度的長期增量反而有所減小。產生這一現象的原因在于，強制合龍過程中在懸臂端部施加了壓重， 強制合龍完成后去除壓重相當于在跨中施加了一個向上的力， 因此長期撓度不會比正常合龍更大。但是，強制合龍會造成兩個懸臂的線形不平順， 在進行橋面鋪裝時需要額外調平， 尤其是在跨中部分，而過厚的橋面鋪裝導致結構自重的增加，從而對跨中長期下撓造成不利影響。

6 結論

以主跨200m 的桐山溪特大橋為例， 分析了大跨徑預應力混凝土連續剛構橋在施工過程中的混凝土超方、預應力損失、 合龍順序及合龍誤差等因素對結構跨中長期下撓的影響，得到了以下主要結論：

(1)隨著混凝土超方比例的增加，大跨徑連續剛構橋跨中長期撓度增量也不斷增加； 不同成橋時期跨中撓度對超方的敏感性不同，成橋時間越久，下撓隨超方比例增加而增長的速率越慢。

(2)隨著預應力損失的增加，跨中長期撓度的增量也隨之增加， 且預應力損失對跨中長期撓度的影響非常明顯。

(3)對于采用平衡懸臂澆筑方法施工的大跨徑預應力混凝土連續剛構橋來說，采用“先中跨后邊跨”合龍順序時的結構跨中長期撓度增量較大。

(4)考慮合龍高程誤差而進行強制合龍后，跨中撓度的長期增量反而較無高程誤差合龍時有所減小， 但強制合龍會造成兩個懸臂的線形不平順， 若采用額外的鋪裝調平則會導致結構自重的增加， 對跨中長期撓度產生不利影響。