连续刚构桥预拱度设计方法研究

【摘 要】 连续刚构桥线形控制主要通过合理设置预拱度来实现，通过系统分析影响连续刚构桥预拱度设置的多种因素，根据结构的变形和时间的不同，将预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度，根据连续刚构桥结构的变形规律，提出了施工预拱度各种影响因素的计算原理。

【关键词】 连续刚构桥 预拱度 成桥预拱度 余弦曲线分配法

很多大跨度连续刚构桥在通车运行过程中出现跨中的下挠过大及桥面线形成波浪曲线变化等问题。主要的原因是预拱度设置不合理，所以有必要对连续刚构桥的预拱度设置进行认真深入的研究。

1 影响预拱度的主要因素

连续刚构桥的预拱度可分为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何在对线形的影响。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。

大跨度连续刚构桥在大多数情况下的施工方法，基本上都是采用挂篮悬臂施工法。预拱度设置时，考虑的主要影响因素如表1所示。

2 设置施工预拱度的原理和计算方法

2.1 结构的自重作用、预应力作用下的预拱度设置

结构自重的计入方法是本节段块件生成后和以后各阶段挠度的累计值，特点是先浇段完成本身自重变形，不再对后浇段起到影响：预应力作用的计入方法是本次浇筑梁段及后浇筑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应力对已生成节段产生的影响。因此结构节段i在自重的作用下预拱度数值∑f1i为：

∑f1i=fi1+f1i+1+f1i+2+…+f1n（上标1表示结构的自重影响）

节段i在预应力作用下预拱度值∑f2i为：

∑f2i=fi2+f2i+1+f2i+2+…+f2n（上标2表示预应力作用影响）

2.2 体系转换、二期恒载的预拱度设置

施工过程中的体系转换，大多采用压重或顶推的方法。压重时，与结构等量的配重随着梁部结构的合拢而同步拆除，施工预拱度值要剔除其所产生的影响，但是为了保证合拢段两端的标高的一致，附加配重一定要等到合拢段混凝土达到规定放人强度后才卸载。

结构加载二期恒载后经过计算所产生的挠度值，按反向计入预拱度设置值中便可。

2.3 前期收缩和徐变的影响

施工阶段预应力混凝土受弯构件所产生的变形，可以按构件的自重和预加力产生的初始弹性变形乘以[1+（t，t0）]求得。前期徐变主要是施工阶段的徐变，所以，前期徐变可根据规范规定计算，收缩的影响也按规范执行。

2.4 温度影响

连续刚构桥一般采用分 段施工，桥梁结构计算模型中的荷载，含有温度荷载。通过对施工各阶段的敏感性分析，计算得到随日照温差变化的变形曲线后，对其进行插值计算，进而对结构的变形进行调整。

2.5 施工荷载的影响

施工荷载主要包括挂篮自重、人员设备等荷载，属于临时荷载。可以采用调整立模标高的方法来抵消因临时荷载引起的墩身变形，挂篮自重发生的弹性变形，以及偏载引起的转角影响等。

3 成桥预拱度的设置原理和计算方法

3.1 经验曲线分配法

目前，徐变对混凝土桥梁结构的影响程度，还没有得到一个较可靠，较广泛认可的结论。在桥梁通车运营过程中，徐变挠度与运行中产生的几何非线性变形耦合效应显著。现在成桥预拱度设置的计算方法，大多根据理论计算值和经验值求出跨中挠度后，按某种曲线对全跨进行分配。

根据实践经验，跨中最大预拱度一般取L/1500～L/1000左右，目前成桥预拱度的曲线分配方式普遍采用二次抛物线曲线，但采用二次抛物线曲线存在如下问题：

（1）采用二次抛物线曲线作为成桥曲线，曲线的线形不顺畅、不协调。如图1所示，二次抛物线曲线，在各桥墩顶点处出现尖点，导致行车不平顺。

（2）采用二次抛物线曲线与徐变计算方法的结论不相符合。计算徐变的基本方法为建立在线形徐变理论基础上的徐变系数法，即应力水平不是很高时，徐变应变应与应力成正比，由于初始的弹性应变在此范围内与应力成正比，因此，徐变应变与弹性应变存在的比例关系。

建立数学模型通过有限元计算，中跨L/4处所产生的弹性变形约为跨中所产生变形值的1/2：所以，徐变的变形变化值应符合类似的规律。二次抛物线曲线分配预拱度时，跨中的预拱度值与L/4处的预拱度值，它们的比值为3/4，与简支梁桥的计算结果相近，但与连续刚构桥理论计算值相比较，相差较大。

根据上述分析，按余弦曲线分配预拱度的方法较合理，原因为：

首先，余弦曲线在各桥墩墩顶的两曲线连接处、最大预拱度处的切线斜率均为零，满足成桥曲线平顺的要求。

其次，余弦曲线在梁的L/4处与梁体预拱度最大值处的比值为0.5，与有限元计算结果非常相近。如图1所示坐标系中，中跨成桥预拱度余弦曲线方程为：

y=（1-cos）

式中：L为中跨跨径：fcz为中跨跨中成桥预拱度

边跨成桥预拱度的设置：通过对使用理论算法进行计算得到的结果进行分析，我们可以得到边跨挠度的最大值为中跨挠度的1/4，位置为3L/8处。大跨度连续刚构桥，中跨长度与边跨长度的比值一般在0.52～0.60之间。桥梁在后期运营中，桥墩墩顶会向中跨产生位移。由变形协调可知，转角位移使跨中挠度向下，边跨挠度向上。所以，边跨成桥预拱度设置较小。边跨可按理论计算的方法，如图1所示，在边跨3L/8处设置大小为fcz/4左右的预拱度，分配方式采用余弦曲线变化。

3.2 公式算法

fc=α（d1+d2）

式中α为修正系数，按照相近跨径的桥梁的下挠实际情况确定此系数：

d1为成桥5年后收缩徐变挠度计算值

d2为活载挠度计算值

3.3 两种设置方法的比较

上述设置成桥预拱度的两种方法，我们从最大成桥预拱度和分配曲线的两个方面来进行比较。

（1）在最大预拱度计算值方面进行比较，跨中最大预拱度的计算值在两种方法中都是以经验为基础，它们是相同的。公式算法中的修正系数α值主要是根据经验曲线分配法中做得到的经验值范围（L/1500～L/1000）来确定。

（2）在分配曲线方面比较，两种方法是不同的。通过计算证明，按二次抛物线曲线布置预拱度不适应连续刚构桥的线形布置，会造成桥面曲线的不平顺，不通畅。采用余弦曲线分配成桥预拱度，曲线外形更加美观、平顺。

4 结语

本文将连续刚构桥预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度，施工预拱度按照施工过程中模拟计算结果设置，并以施工误差理论加以调整。成桥预拱度在混凝土后期徐变变形和活载变形计算基础上，以余弦曲线分配为宜。

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作者简介：安坤（1981―），男，汉族，辽宁锦州人，职称是中级工程师，研究方向：桥梁工程设计。