连续梁桥预拱度设置研究

摘要：以某特大连续梁桥为工程背景，采用有限元软件对该桥进行了施工过程模拟计算，得出了施工过程的变形情况，在此基础上提出了各施工阶段及成桥阶段梁体的设置方法，并对影响预拱度设置的各因素进行了分析。结果表明，恒载、预应力及收缩徐变是影响施工预拱度的主要因素。桥梁合龙误差处于规范容许值之内，成桥后桥梁线形平顺，验证了预拱度计算与设置方法的准确性。本文方法及结论可为同类桥梁设计与施工提供参考。

关键词：连续梁桥；预拱度；标高；有限元法

中图分类号：TU997文献标识码： A

Camber Setting of Continuous Girder Bridge

HU Liang Liang

(China railway first group CO., LTDShanxi xi’an712000，China)

Abstract: Taking a super-span continuous girder bridge as background, the whole construction stages were calculated with finite element software, then the displacement of the structure were obtained. Based on the calculation results, the setting method of camber of both girder in was put forward, besides, factors which influencing the setting of camber were analyzed. Finally the conclusion can be got that the dead load, prestressing force, creep and shrinkage were the main factors. The closure elevation difference was within the allowance of criterion, what’s more, the bridge line was smooth when constructed, which ensured the accuracy of the calculation and setting method. Methods and conclusion in the article can provide useful reference for design and construction of the same kind.

Keywords: continuous girder bridge; camber; elevation ; finite element method

连续梁桥是一种结构受力合理明确，连续梁桥行车舒适、受力合理、跨越能力较大、经济适用性好等优点。在连续梁桥的设计分析中，如何确保桥梁结构性能满足规范要求十分重要，空间分析可以比较精确的反映结构的真实受力状况，为桥梁设计定型提供依据。诸多大跨径连续梁桥在运营过程中出现中跨跨中下挠过大以及桥面线形成波浪形变化等问题，其主要原因就是预拱度设置不合理，因此，有必要对连续梁桥预拱度的设置作更深入研究。为便于理解，首先定义桥梁的3种线形：设计线形，即设计文件中要求达到的线形；成桥线形，即施工完毕后的线形；最终线形，即后期运营过程中，收缩徐变基本完成时的线形，一般指运营3～5 年后的线形[1]。如果施工预拱度设置合理，成桥时的线形为设计线形加成桥预拱度的线形。成桥预拱度设置合理，那么最终线形和设计线形吻合较好。本文对影响预拱度的各种因素及其设置计算方法进行了研究。

1．概况

某特大桥主桥桥式采用连续梁桥。双线Ⅰ级铁路，中-活载，设计速度为120 ㎞/h客货共线。主桥平面位于缓和曲线和直线上，墩到墩之间的范围为缓和曲线，线间距为4.096 m～4.0 m；直线段线间距为4.0 m。主梁为预应力混凝土结构，采用单箱单室变高度箱型截面，跨中及边支点处梁高3.2 m，中支点处梁高6.5 m，梁底按圆曲线变化。箱梁顶宽12.5 m，中支点处局部顶宽15.0 m；箱梁底宽8.0 m，中支点处局部底宽10.2 m。梁采用直腹板，腹板厚边跨分0.60 m、0.80 m两种；箱梁于各吊杆处共设14道吊点横梁，主梁共分61个梁段，除梁段、K17’梁段在支架上施工外，其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑，悬臂梁段最重1998.4 kN。

2．施工过程的有限元模拟

按照施工方案拟定的施工过程，预应力混凝土连续梁桥施工工艺流程为：桥墩施工—

悬臂浇筑—边跨合龙—中跨合龙—桥面系施工。按此流程逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移，每个悬臂的施工包括移挂篮、梁段浇筑、张拉预应力等3个主要工况。在对各施工阶段进行仿真计算分析时，将其简化为平面结构，采用平面杆系有限元程序建立计算模型进行分析。对整个施工过程、结构体系转换进行了跟踪模拟。全桥使用了102个单元，103个节点。整个有限元模型如图1所示，施工节点如图2所示。计算每一施工阶段的计算预拱度时，考虑了施工预拱度和成桥预拱度。设置施工预拱度主要是为消除施工过程中各种荷载对线形的影响。成桥预拱度主要是为消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等而设置。

图1 连续梁桥的有限元模型

Fig.1 Finite element model of continuous girder bridge

图2 施工节点示意图

Fig.2 Layout of nodes in construction

3．预拱度的设置原则

大跨径连续梁桥多数采用挂篮悬臂现浇施工，在设置预拱度时，主要考虑表1中几个方面的因素。

表1 连续梁梁桥施工预拱度的主要影响因素

Tab.1 Main influencing factors of camber setting of continuous girder bridge

预拱度 影响因素 预拱度设置方向 预拱度设置方法

施工预拱度 一期恒载 + 通过正装计算、施工过程的模拟，逐段叠加计算

预应力 -

二期恒载 +

结构体系转换 +、-

挂篮变形 +

前期收缩徐变 -、+

温度影响 +或-

施工荷载 +或-

成桥预拱度 后期收缩徐变 +、- 模拟计算

1/2活载 +

注：表中“+”号表示向上设置预拱度，“-”表示向下设置预拱度

连续梁桥预拱度的控制是通过每个阶段的节段立模标高来实现的，采用预拱度总量控制，梁段浇筑时各节段立模标高为：

=(1)

式中：为待浇筑箱梁底板前端立模标高；为待浇筑箱梁底板前端设计标高；为预拱度值。

根据表1，连续梁桥预拱度的计算公式为：

+ (2)

式中：施工预拱度 =Σ+Σ+++++(3)

式中：

Σ 为本阶段块件生成后和以后各阶段挠度累计值；特点是先浇节段已完成了本身自重变形，不再对后浇节段产生影响；因此节段i 在结构自重作用下的预拱度值Σ为：

Σ= …+ (4)

(上标1 表示结构自重的影响，下标i表示要浇注梁段号，i+1表示要浇注的后一块梁段号，n表示第n 块梁段号)

Σ为本次浇筑梁段及后浇梁段纵向预应力张拉后对该点挠度影响值；预应力作用计入方法是本次浇筑梁段及后浇梁段纵向预应力张拉后对该点挠度的影响值，特点是需要计入后张拉预应力对已生成节段产生的影响。节段i 在预应力作用下的预拱度值Σ为:

Σ = …+ (5)

(上标2 表示预应力作用的影响，下标i表示要浇注梁段号，i+1表示要浇注的后一块梁段号，n表示第n 块梁段号)

为前期收缩徐变值；前期徐变即施工阶段的徐变，因此，前期徐变可以按规范规定计算。收缩按规范规定计入影响。

为挂篮变形影响；其值一般由现场挂篮预压试验确定。对于已浇筑节段，挂篮自重使其产生弹性变形，挂篮拆除后变形恢复，不必考虑其影响。但此变形对于现浇节段的立模标高会产生影响，设置此节段施工预拱度时应该预先剔除这部分影响。其次，由于本节段刚度还未形成，自重由挂篮承担，在挂篮、节段混凝土自重的作用下，挂篮自身会产生挠曲变形，使现浇节段混凝土也产生与其相同的、挂篮拆除后不可恢复的挠曲变形。

为温度影响；考虑温度影响的立模标高为：=+，为温度修正值。

为施工荷载产生的挠度；施工荷载属于临时荷载，在后续阶段卸载。因此，临时荷载引起的墩身压缩、挂篮自重使现浇段产生的弹性变形、温度梯度影响、偏载引起墩顶转角影响等都属于加卸载过程，都应该在立模标高中剔除其影响。

为体系转换与二期恒载产生的挠度；进行体系转换时，一般采取压重、顶推的方式。压重时，与混凝土等量置换的那部分配重随合龙段混凝土的浇筑同步卸除，设置施工预拱度时剔除其影响便可；但是为了调整合龙段两端的标高而设置的附加配重要等到合龙段的混凝土达到规定强度后才卸载，其作用在合龙前后两种不同体系上，卸载前后对桥梁的影响不能相互抵消。二期恒载预拱度的设置较为简单，即将其加到成桥结构上，将计算所得的挠度值反向设置便可。

为成桥预拱度。在施工过程中对成桥预拱度不直接识别、修正，而成桥预拱度线形是通过在立模标高中预留来实现的。因此，成桥预拱度的合理设置尤为重要。成桥预拱度中主要部分是考虑后期徐变的影响，而混凝土的徐变对桥梁结构成桥后的影响程度还没有得到比较可靠的结论，再加上运营期间几何非线性与徐变挠度的耦合效应显著，因此，设置成桥预拱度的方法一般都是在理论计算的基础上，根据经验确定跨中最大预拱度后，按余弦曲线向全跨分配。中跨成桥预拱度余弦曲线分配方程为：

(6)

式中：L为中跨跨径；为中跨跨中成桥预拱度。

边跨成桥预拱度的设置：边跨最大挠度一般发生在3L/8处，大小约为中跨最大挠度的1/4 。

至于桥面预拱度的设置，一般按下面方法进行：模拟施工过程进行仿真分析，先得到桥面各点的累计变形值，再考虑到结构非弹性变形的影响，对累计变形值予以适当调整，据此设置预拱度。

通过对该桥的模拟计算，计算出的预拱度值如图3，此预拱度的值不包括挂篮弹性变形的影响。可以看出，最大预拱度发生在中跨59号节点上，为14.7cm。同时，为研究各主要因素对预拱度的影响大小，对恒载、预应力、收缩徐变分别进行了分析，它们独自引起的预拱度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14.3cm，预应力引起的最大上拱值为11.2 mm，收缩徐变引起的最大挠度变化为11mm。对该连续梁梁桥施工预拱度进行了预测与分析，结果表明恒载、预应力、收缩徐变是影响施工预拱度的主要因素。通过预测预应力引起的挠度最大上拱值，便于与施工现场预应力张拉前后挠度变化的观测值进行对比，及时对随后各节段施工预拱度进行调整分析。

图3 各节点处计算预拱度 图4 各因素单独作用下箱梁挠度变化

Fig.3 Calculating cambers of nodesFig.4 Displacement of box-girder resulted from single factor

立模高程的控制应以追求桥面线形的平顺为目标，不片面追求个别节点的理论高程。当施工中某工序或梁段浇筑后高程值与理论值发生偏差后，不必在下一个梁段中立即调整。应根据偏差发生的特点找出原因，在后期悬臂浇筑梁段挠度计算时进行修正，在以后的几个梁段甚至后期悬臂浇筑的所有梁段中将高程偏差纠正过来。

4．结论

本桥梁体预拱度是根据实际的施工情况通过有限元软件计算出预拱度值（浇注时间不同对收缩徐变影响后的值），再根据预压后挂篮的变形和误差的影响、实测前一阶段的应变值对下一阶段预拱度予以调整。桥梁线形的监测结果表明，成桥后该桥梁体和拱肋线形平顺，保证了良好的受力状态，充分说明了预拱度的计算与设置方法的准确性。

参考文献：

[1]徐君兰. 大跨度桥梁施工控制[M] .北京：人民交通出版社，2000．

[2]葛耀君. 分段施工桥梁分析与控制[M] .北京：人民交通出社，2003．

[3]程翔云. 悬臂施工中的预拱度设置[J] .公路1995，(7)：9～11．

[4]邓凤学．大跨度连续梁桥悬臂浇筑施工的挠度控制分析[J]．铁道建筑，2008(3)：23—25．

[5]周敉，宋一凡，赵小星．预应力混凝土桥梁悬臂浇筑的施工控制[J]．长安大学学报，2005(6)：46—47．