预应力混凝土连续刚构桥预拱度的设置与控制_张桃

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交 通 科 技 与 经 济
第 １４ 卷
连续刚构桥预拱度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
荷载对线形的影响。成桥预拱度主要是为了消除后
期 运 营 过 程 中 的 收 缩 徐 变 、后 期 预 应 力 的 损 失 、活 荷
２）纵 向 钢 束 预 应 力 的 有 效 性 损 失 。 根 据 大 量 的 工 程 实 例 ，在 对 连 续 刚 构 桥 进 行 外 观 检 测 中 发 现 ，孔 道 压 浆 有 时 不 够 饱 满 ，存 在 着 一 些 空 隙 ，有 时 浆 体 离 析。处于跨中的孔 道 有 大 量 的 积 水，一 经 戳 破 就 有 水流出。处于这样 孔 道 中 的 预 应 力 束，在 水 和 空 气
段 信 息 、使 用 阶 段 信 息 ，进 行 输 入 数 据 验 算 及 项 目 计 算 ，输 出 计 算 结 果 等 几 个 步 骤 。
按 ０４ 桥 涵 规 范 取 弹 性 模 量 值 ，材 料 容 重 按 设 计 文件提供的混凝土与钢筋用量进行体积换算。混凝 土收缩、徐 变 计算 模式 采用 现行规 范 附录 Ｆ 提供 的 计算公式 来 计 算 变 形 与 预 应 力 损 失。 主 梁 划 分 为 ９４个梁单元，３ 个 主 墩 划 分 为 １１８ 个 梁 单 元；边 界 条件 模 拟 为：主 梁 与 墩 顶 刚 性 连 接，３ 个 主 墩 墩 底 固结，过渡墩支座 模 拟 成 活 动 铰 支 座。 有 限 元 模 ห้องสมุดไป่ตู้ 如图３所示。
３）预 拱 度 的 分 配 线 型 问 题 会 导 致 墩 顶 桥 面 线 形 成 波 浪 形 变 化 。 因 此 ，有 必 要 结 合 工 程 实 例 ，利 用 有 限元软件进行计算 分 析，对 连 续 刚 构 桥 在 施 工 监 控 中预拱度的计算进行讨论。
１ 影 响 预 拱 度 因 素 的 分 析 及 计 算 方 法
图 ２ 田 坝 大 桥 主 桥 桥 型 布 置 （单 位 ：ｍ）
第４期
张 桃 ，等 ：预 应 力 混 凝 土 连 续 刚 构 桥 预 拱 度 的 设 置 与 控 制
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３ 有 限 元 模 型 的 建 立 和 中 跨 预 拱 度 的 计 算
拟 通 过 正 装 计 算 ，对 施 工 过 程 模 拟 ，逐 段 迭 加 计 算。所谓正装计算法是一种以计算桥梁施工过程中 的 内 力 、构 形 ，以 保 证 施 工 的 合 理 与 安 全 为 目 的 的 仿 真施工过程的计算方法。
下 面 通 过 运 用 “桥 梁 博 士 ”平 面 杆 系 有 限 元 程 序 （３．０）建立实际模 型 来 说 明 桥 博 在 连 续 刚 构 桥 预 拱 度计算中 的 应 用。 利 用 桥 博 进 行 计 算 一 般 需 要 经 过 ：离 散 结 构 划 分 单 元 ，施 工 分 析 ，荷 载 分 析 ，建 立 工 程 项 目 ，输 入 总 体 信 息 、单 元 信 息 、钢 束 信 息 、施 工 阶
１．２ 施 工 预 拱 度 的 计 算 桥梁结构在施 工 过 程 中 总 要 产 生 变 形，并 且 结
构的变形将受到诸 多 因 素 的 影 响，极 易 使 桥 梁 结 构 在施工过程中的实 际 位 置 （立 面 标 高、平 面 位 置）状 态偏离预期状态，使 桥 梁 难 以 顺 利 合 拢，所 以，必 须 对桥梁进行施工控 制，使 其 在 施 工 中 的 实 际 位 置 状 态与预期状态间的误差在容许范围内。施工预拱度 公式为
１．１ 预 拱 度 的 定 义 为 便 于 理 解 ，说 明 预 拱 度 的 定 义 ，首 先 定 义 桥 梁
的三种线形：如图 １ 中，设 计 线 形，即 设 计 文 件 中 要 求达到的线形；竣 工 线 形，即 施 工 完 毕 后 的 线 形；运 营 ３ 年 的 线 形 ，即 后 期 运 营 过 程 中 ，收 缩 徐 变 基 本 完 成时的线形。竣工线形为设计线形加成桥预拱度。 设置成桥预拱度的目 的，就 是 使 运 营 ３ 年 的 线 形 和 设计线形能尽量吻合。
Ｔｈｅ Ｓｅｔｔｉｎｇｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｒｅ－Ｃａｍｂｅｒ ｏｆ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｉｇｉｄ Ｆｒａｍｅ Ｂｒｉｄｇｅｓ
ＺＨＡＮＧ Ｔａｏ，ＸＩＡＯ Ｓｈｅｎｇ－ｘｉｅ，ＴＡＯ Ｔａｏ
（Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｏｇｎｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）
预应力混凝土连续刚构桥预拱度的设置与控制
张 桃 ，肖 盛 燮 ，陶 韬
（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 ４０００７４）
摘 要：连续刚构桥现在已发展成一种常见桥型，特别在山区，高 墩 与 挂 蓝 悬 臂 施 工，使 得 连 续 刚 构 桥 更 具 优 势 。 线 型监控是连续刚构桥监控的重点，而预拱度 又 是 线 型 的 重 要 内 容。 以 正 在 建 设 的 某 公 路 刚 构 桥 梁 为 实 例 阐 述 连 续 刚构桥预拱度的计算问题，并应 用 有 限 元 软 件 进 行 计 算 分 析。 该 桥 的 顺 利 合 拢，表 明 该 桥 的 线 型 控 制 是 成 功 可 行 的。 关 键 词 ：连 续 钢 构 ；预 拱 度 ；仿 真 分 析 ；施 工 控 制 中 图 分 类 号 ：Ｕ４４８．２３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００８－５６９６（２０１２）０４－０００７－０４
∑ ∑ ｆｓｉ ＝ ｆ１ｉ ＋ ｆ２ｉ ＋ｆ３ｉ ＋ｆ４ｉ ＋
ｆ５ｉ ＋ｆ６ｉ ＋ｆ７ｉ．
（２）
∑ 式中： ｆ１ｉ 为 本阶段块件生成后和以后 各 阶 段 挠
∑ 度累计值； ｆ２ｉ 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；ｆ３ｉ 为 前 期 收 缩 徐变值；ｆ４ｉ 为 挂篮变形影 响；ｆ５ｉ 为 温 度 影 响；ｆ６ｉ 为 施工荷载产生的挠度；ｆ７ｉ 为 体 系 转 换 与 二 期 恒 载产生的挠度。
收 稿 日 期 ：２０１２－０２－２７ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （５０８７９０９７） 作者简介：张 桃（１９８６－），男，硕 士 研 究 生，研 究 方 向：大 跨 桥 梁 结
构设计．
的 长 期 共 同 作 用 下 ，不 可 避 免 地 会 发 生 锈 蚀 ，导 致 钢 束有效预应力的降 低，同 时 由 于 纵 向 预 应 力 因 徐 变 也 会 引 起 预 应 力 的 损 失 ，这 都 将 会 引 起 梁 体 下 挠 。
１．３ 成 桥 预 拱 度 的 计 算 成桥预拱度
ｆｃ ＝ｄ１ ＋ １２ｄ２ ＋ｄ３ ＋ｄ４．
（３）
式 中：ｄ１ 为 成桥后３年收缩徐变挠度值；ｄ２ 为 活载
挠度值；ｄ３ 为 基 础 沉 降 引 起 的 挠 度 值；ｄ４ 为 温 度
变化引起的挠度值。
２ 工 程 背 景
田坝大桥是昭通至巧家二级公路上的一座跨越 老 店 河 （属 于 金 沙 江 流 域 牛 栏 江 支 流 ）的 大 桥 。 主 桥 上部结构为四跨预应力混凝土变截面连续刚构桥， 跨径设置为６０ｍ＋ ２×１１０ｍ＋６０ｍ，如图２所示。 箱梁断面采用单箱单室，根部梁高６．５ ｍ，跨中 梁高 ２．６ｍ，顶 板 厚２５ｃｍ，底 板 厚 从 跨 中 至 根 部 由２８ｃｍ 变化 为 ７０ｃｍ，腹 板 从 跨 中 至 根 部 分 三 段 应 采 用 ４０ｃｍ、６５ｃｍ、７０ｃｍ 三 种 厚 度，箱 梁 高 度 和 底 板 厚 度按２次抛物线变化。箱梁顶板横 向 宽１２ ｍ，箱 底 宽度为６．５ｍ，翼缘悬臂长 ２．７５ ｍ。 箱 梁 ０ 号 节 段 长１３ｍ，每个 悬浇“Ｔ”纵 向对称划 分 １２ 个 节 段，梁 段数及长从根部至跨中 分 别 为 ３．５ ｍ、１１×４．０ ｍ， 节 段 悬 浇 总 长 ４７．５ ｍ。 悬 浇 节 段 最 大 重１ ５９０ｋＮ， 挂 篮 设 计 自 重 ７００ｋＮ。 边 、中 跨 合 拢 段 长 均 为２ ｍ， 边跨现浇段长４ｍ。箱梁根部设两道厚１．２ｍ 的横 隔板，中跨跨 中 设 一 道 厚 ０．３ ｍ 的 横 隔 板，边 跨 梁 端设一道厚 １．２ ｍ 的 横 隔 板。 主 梁 采 用 三 向 预 应 力，主桥范围 桥 面 铺 装 层 为 ０．０７ ｍ 厚 的 混 凝 土 调 平层 ＋０．０９ ｍ 沥 青 混 凝 土，桥 面 纵 坡 为 ２．９％，桥 面横坡为２％，设计 荷 载 为 公 路 －Ｉ级，合 龙 温 度 采 用１５～２５ ℃，分 ３ 组温 度作用模 式：第 １ 组 温 度 作 用：结构整体升温２０ ℃效应；第２组温度作用：结构 整体降温－２０ ℃ 效 应；第 ３ 组 温 度 作 用：结 构 梯 度 温 度 效 应 ，按 《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 》（ＪＴＧ Ｄ６０－ ２００４）第 ４．３．１０ 条 规 定 的 梯 度 温 度 计 算 。 日 照 正 温 差 Ｔ１采 用 １４ ℃，Ｔ２ 采 用 ５．５ ℃，日 照 反 温 差 Ｔ１ 采用 －７ ℃，Ｔ２ 采 用 －２．７５ ℃。 基 础 差 异 沉 降 过 渡墩按１．０ｃｍ 计算，主墩按１．０ｃｍ 计算。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｈａｓ ｎｏｗ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂｒｉｄｇｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔａｉｎｓ，ｈｉｇｈ ｐｉｅｒｓ ａｎｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｍａｋｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅ－ｃａｍｂｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ａｒｃｈ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｄｅｇｒｅｅｓ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｂｒｉｄｇｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ’ｓ ｌｉｎｅ ｔｙｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｓｕｃｃｅｅｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ；ｐｒｅ－ｃａｍｂｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
载 、基 础 在 运 营 过 程 中 的 沉 降 、运 营 过 程 中 温 度 变 化
等引起的挠度而设置。
连续刚构桥多 数 采 用 挂 篮 悬 臂 现 浇 施 工，其 预
拱度的计算公式为
ｆ ＝ｆｓｉ ＋ｆｃ．
（１）
式中：ｆｓｉ 为 施工预拱度；ｆｃ 为 成桥预拱度。
图 １ 桥 梁 的 三 种 线 形
目前，国内大跨 径 连 续 刚 构 桥 主 要 存 在 主 跨 跨 中下挠过大以及桥面线形成波浪形变化等问题。国 内已建成的一些连 续 刚 构 桥 中，出 现 跨 中 下 挠 的 桥 梁 较 多 ，其 主 要 原 因 有 如 下 几 点 ：
１）混凝土 收 缩 徐 变 的 作 用。 桥 梁 在 设 计 过 程 中，桥梁的设计规范 甚 至 对 徐 变 计 算 也 没 有 一 套 比 较完善的理论与计 算 公 式，对 混 凝 土 的 徐 变 认 识 不 足，在设计中考虑 不 够，取 值 偏 低，出 现 的 挠 度 比 设 计的偏大。