简述高墩大跨桥梁成桥预拱度设置影响因素分析

摘要：桥梁预拱度影响桥梁结构受力，直接关系到行车舒适性、安全性，合理设置预拱度能延长桥梁使用寿命，桥梁线形主要有设计线形、成桥线形、最终线形三种，为了使这三种线形出于理想状态，合理控制各阶段影响因素较为重要，预拱度影响因素较多，需要考虑的因素主要有结构自重作用、预应力作用下预拱度设置，体系转换、二期恒载作用下的设置，混凝土前期收缩、徐变的影响，施工期间挂篮的影响，施工期间及合拢阶期间温度的影响，墩顶压缩的影响，墩顶转角位移的影响，施工荷载的影响，通过分析以上影响因素，设置合理的桥梁预拱度，使桥梁成桥线形和设计线形要求更加接近，达到更加完美的效果。

关键词：桥梁线形，行车舒适性、安全性，设计线形，成桥线形，最终线形，结构自重，体系转换，混凝土徐变，挂篮，合拢，墩顶压缩，墩顶转角位移，完美效果。

引言：

目前高墩大跨桥梁逐渐增多，合理控制桥梁线形尤为重要，通过对影响桥梁预拱度因素进行分析，在施工阶段及后期加强预拱度监控量测，使桥梁满足行车舒适性、安全性要求并能延长桥梁使用寿命。

桥梁预拱度设置影响：

桥梁线形变化直接影响桥梁结构受力情况，造成行车舒适性影响，在结构变化明显时桥梁上部结构局部造成破坏，危及到行车安全。高墩大跨桥梁设计时线形顺畅，在混凝土不发生徐变及结构应力变化允许范围内，桥梁内部受力变化出于理想状态，由于施工水平及施工控制因素影响，桥梁施工过程中几何尺寸偏差造成线形的影响远远低于桥梁自身荷载及收缩变化影响，为了在通车及运营若干年后桥梁上部结构处于可控状态，加强高墩大跨成桥预拱度设置显得尤为重要。

诸多大跨径连续刚构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。如主跨245m的某大桥，最大下挠达到32cm，主跨270m的虎门大桥辅航道桥，建成5年后，在2002年已下挠17cm，这两年中又继续下挠了几厘米，远超过原设计预留的lOcm的徐变预拱度。主要是由于在桥梁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，所以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，再加上运营期问几何非线性与徐变挠度的藕合效应显著，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，按某种曲线向全跨分配。根据近几年的实践及目前国内刚构桥下挠情况，跨中最大预拱度一般取15L/1 0000～ 8L/1 0000左右，但是，目前成桥预拱度的分配普遍采用二次抛物线的方式变化，但存在如下问题：二次抛物线的分配方式将导致成桥后桥梁线形不平顺、不协调，如图所示，采用二次抛物线，在各墩顶处必然出现尖点，行车不顺畅，不符合规范中“预拱度设置应按最大的预拱值沿顺桥向做成平顺曲线”的要求。

因此，按余弦曲线分配预拱度的方法更合理，其原因为：首先，余弦曲线在各墩顶两曲线相接处、最大预拱度处的切线斜率为零，因此，满足平顺的要求；其次，余弦曲线在L/4处为预拱度最大处的1/ 2,与有限元计算结果吻合较好。

边跨成桥预拱度的设置：理论计算结果表明，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。由于大跨径连续刚构桥边中跨比一般在0. 52～0. 6左右，桥墩采用柔性墩，在后期运营过程中墩顶将向中跨发生一定的位移。刚构桥墩梁固结，由变形协调可知，转角位移使跨中下挠，边跨上挠，边跨成桥预拱度一般设置较小。但是，由于现阶段常采取中跨合拢前压重或顶推的方法，使墩顶在成桥时就有一定的向边跨的预偏量。

因此，边跨可按理论计算的方法或按照经验设置，在大约边跨3L/8处设置大小为1/4中跨跨中左右的预拱度，分配同样采用余弦曲线变化便可。

影响预拱度的设置各种因素分析汇总：

桥梁线形存在3种线形， 1.设计线形，即设计文件中要求达到的线形；2.成桥线形，即施工完毕桥面铺装后的线形；3.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（或更长10年）后的线形。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符合较好。为了达到上述目的，在设置预拱度时，主要考虑以下几个方面的因素：

（1）结构自重作用、预应力作用下预拱度设置

结构自重的计入方法是悬臂浇筑施工初期块段生成后和以后各阶段挠度的累计值，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；合拢段与悬臂节段的单项挠度计算方法不同，但计入方法是相同的，可以用通式表达。预应力作用计入方法是悬案臂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。

（2）体系转换、二期恒载的预拱度设置

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拢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；但是为了调整合拢段两端的标高而设置的附加配重要等到合拢段的混凝土达到规定强度后才卸载，其作用在合拢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。

为改善桥墩受力，常采取中跨合拢前顶推的方法。由于预拱度的设置，顶推会使主梁各截面发生竖向变形，这部分变形在设置施工预拱度时也应该考虑。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。

（3）前期收缩、徐变的影响

前期徐变即施工阶段的徐变，随着混凝土强度增长速度减缓，混凝凝土徐变也在减缓，混凝土养生的温湿度控制较为重要，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。

（4）挂篮的影响

挂篮的影响可分为对已浇筑节段和对现浇节段的影响两部分。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，由于刚浇筑两端刚度还未形成，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。因此，必须计入这部分的影响，挂篮变形值一般由现场挂篮预压试验、考虑梁段自重及已施工梁段观测挂篮变形数据等综合因素确定。

（5）温度影响

在连续刚构桥分段施工过程中，其几何线形的实测值中都包含温度荷载的影响。尽管测量时间可以选择在温度较为稳定的时段，如深夜或凌晨，但是，大多时间难以避开日照温差的复杂影响。日照温差对悬臂端挠度的影响可以通过各施工阶段的温度敏感性分析得到结构随温度改变的变形曲线，根据实际温度变化进行插值计算，对结构变形进行修正。

均匀温度作用对挠度的影响主要取决于梁体温度与设计合拢温度是否相符合。悬臂施工阶段，结构为静定体系，合拢后转为超静定体系，连续刚构桥以柔性薄壁墩适应纵向温度变形，若梁体温度与设计合拢温度不相符合，将产生温度约束变形。因此，计算年温差引起的变形时，应该从边跨合拢时开始计入其影响。

（6）墩身压缩的影响

大跨连续刚构桥悬臂长，悬臂梁体、施工荷载等重量很大，如果墩高较高，墩身会产生较大的压缩量，在影响因素分析时应认真考虑该影响因素。

（7）墩顶转角位移的影响

高墩大跨径连续刚构桥在分段施工过程中，特别是在悬臂较长时，荷载不可能严格对称，主梁、高墩均为压弯构件，几何非线性效应明显，这将引起墩顶水平、转角位移，对长悬臂端的竖向挠度产生很大影响。

（8）施工荷载的影响

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。

通过对成桥预拱度设置影响因素的分析，能加深我们对高墩大跨桥梁线形影响的理解，做好桥梁线形控制，延长桥梁结构使用寿命，确保行车舒适性及行车安全，控制好施工期间各阶段位移变化，对测量杆件进行及时监控量测，使各种线形变化出于可控状态。由于本人学术浅薄，难免对问题分析存在遗漏，恳请各位专家读者给予指导。

参考文献：

《桥梁工程》作者：姚玲森 人民交通出版社；

《结构力学》作者：包世华 武汉工业大学出版社；

《壶口黄河特大桥监控组》姬兵亮 山西省交通科学研究院；