曲線連續(xù)剛構橋梁施工過程分析

錢 立

（中國市政工程西南設計研究總院，四川成都 610081）

摘  要：文章利用空間有限元分析了曲線連續(xù)剛構橋在施工過程中的內力和變形，對平面曲線上修建連續(xù)剛構橋和連續(xù)梁橋提供了若干建議，供實際設計中參考。

關鍵詞：平面曲線；連續(xù)剛構橋；內力；變形

中圖分類號： U44      文獻標識碼：A

   1 簡介

       本文就曲線連續(xù)剛構（梁）橋的空間受力情況及其主要的影響因數(shù)進行了分析，并提出了一些具體的設計建議。

       在計算分析中，本文以跨徑為45m+75m+45m的曲線連續(xù)剛構橋為模型，結構基本數(shù)據(jù)如下：箱梁頂板寬12m，懸臂2m。頂板厚度25cm；頂板厚度30-60cm，按直線變化；腹板厚度50cm。箱梁高度從根部處的4.2m變化到跨中的1.8m,底板高度按R=195.002m的圓曲線變化。為簡化起見,在建模中未考慮梗掖部分的影響，截面形式見圖1。

圖1 主梁截面示意圖/cm

       建模采用四節(jié)點殼單元。單元可以承受平面荷載和法向荷載,每個單元有4個節(jié)點,每個節(jié)點具有6個自由度，單元可以定義為變厚度。為了得到較好的分析結果,在進行單元劃分時,盡量使單元尺寸較接近,全橋主梁截面共劃分為900個單元。

 建模分析時，橋梁曲率半徑分別按200m、300m、400m、500m分析比較。同時墩高分別按為55m、27.5m和不考慮墩高的影響進行比較。

 為了便于對結果進行比較,本文選取了箱梁根部截面作為應力計算截面，施工過程的最大懸臂端部截面作為位移計算截面。

2 影響撓度的主要因素

（1）曲率的影響

曲線連續(xù)剛構橋在懸臂施工時，由于彎扭耦合效應，截面將發(fā)生扭轉變形，過大的扭轉角造成箱梁截面內、外緣的撓度差值較大，不容忽視。施工分析中取墩最大懸臂的情況。圖2到圖3所示為最大懸臂狀態(tài)及二期恒載階段曲率半徑對梁體變形的影響（墩高為55m ）

從圖2中可以看出，在恒載作用下，曲線橋最大懸臂狀態(tài)的撓度比同跨徑直線橋大，箱梁向內側扭轉。當曲率半徑減小時，箱梁的扭轉角增大，截面內外緣的撓度差值明顯加大。當曲率半徑為500m時，截面內外側的撓度差為0.21cm；曲率半徑為200m時,撓度差為0.52cm

圖3 二期恒載作用下最大懸臂處底板截面位移

表1列出了各種半徑的曲線連續(xù)剛構橋在邊跨合攏階段、中跨合攏階段相應截面產(chǎn)生的撓度，這些階段的撓度均遠小于懸臂狀態(tài)產(chǎn)生的撓度，曲線橋內外側撓度差較小。

表1 邊跨和中跨合攏階段最大懸臂處底板截面位移/mm

在邊跨合攏階段自重作用下，中跨最大懸臂處截面產(chǎn)生向上位移，箱梁梁體在中跨仍然向內扭轉；梁體在邊跨向外扭轉。在中跨合攏時，箱梁梁體發(fā)生向外弧側的扭轉，但截面內外緣的撓度差較小。由圖3所示，在二期恒載作用下，曲線橋向外扭轉，與懸臂施工時相反，但扭轉角很小。

綜上所述，懸臂施工的曲線連續(xù)剛構橋（梁）橋，在其自重作用下的變形主要發(fā)生在懸臂施工階段，邊跨合攏階段、中跨合攏階段和二期恒載作用下變形比較小，且其內外弧側撓度差也比較小。另外，在合攏之前，箱梁存在向內弧側扭轉的變形，而一旦合攏后及二期恒載作用下則發(fā)生向外弧側扭轉，是有利于減小箱梁扭轉變形的。

（2）墩高的影響

在連續(xù)剛構橋中橋墩一般采用雙薄壁柔性墩的形式。雙薄壁墩雖然減小了墩在順橋向的剛度，但同時也相應減小了橫橋向的剛度。對于直線橋，施工過程中箱梁沒有扭矩產(chǎn)生，橋墩橫橋向剛度的減小對主梁變形影響較小。但曲線橋梁在自重作用下將發(fā)生扭轉。從而使橋墩產(chǎn)生橫橋向的彎曲。所以，橋墩橫橋向剛度的減小將會加大梁體的扭轉變形。

表2列出了曲率半徑為200m、300m、400m和500m時，上述5種情況箱梁內外弧的撓度差。由表2可見，一方面，隨曲率半徑的增大，變形值變小，另一方面當橋墩的剛度增大時，箱梁內外弧的撓度差也可以得到改善，當采用變截面后提高了橋墩的橫向剛度，梁體內外側的撓度差減小，梁體的扭轉程度得到控制。

表2 不同橋墩情況下最大懸臂截面變形值/cm

3 施工過程截面應力的變化情況

在施工過程中，懸臂根部截面為最不利受力截面，所以選擇懸臂根部截面進行比較。

表3列出了最大懸臂狀態(tài)時，懸臂根部處截面頂板的正應力變化。邊跨合攏段和中跨合攏段對墩頂截面產(chǎn)生的應力值很小，本文中未列出。為尋求規(guī)律，以R=200m、R=300m、R=400m、R=500m和直線橋情況建立計算模型，墩高為55m。從表3可知，懸臂根部截面頂板承受負彎矩和扭矩，頂板截面正應力為拉應力，其內弧一側的拉應力在懸臂根部截面大于外弧一側的應力值。隨著向懸臂端部延伸，截面的扭矩逐漸減小。截面內外弧的應力差值也隨之減小。同時隨著曲率半徑的減小，截面頂板正應力的不均勻程度逐漸加大。在懸臂根部處正應力差值由0.62MPa增大到1.55MPa。這表明了隨著曲率半徑的減小，曲線橋的彎扭耦合效應增大。

表3 最大懸臂狀態(tài)時根部截面頂板正應力值/MPa

從表4可知，在自重作用下，懸臂根部截面底板正應力為壓應力。與頂板正應力同樣是內弧側的正應力大于外弧側的應力值。同樣隨著曲率半徑的減小，截面底板正應力的不均勻程度也逐漸加大。在懸臂根部處正應力差值由1.58MPa增大到3.95MPa。其不均勻程度較頂板更為嚴重。曲線橋的彎扭耦合效應對底板應力的影響更大。

表4 最大懸臂狀態(tài)時根部截面底板正應力值/MPa

在二期恒載作用下，根部截面的應力分布比較均勻與直線橋相差微小。主要是應為二期恒載較主梁自重小，且成橋后，主梁的抗扭剛度已經(jīng)增大。

結語

曲線連續(xù)剛構橋在施工過程中的變形控制是關鍵，懸臂階段梁體變形占了梁體自重變形的絕大部分。二期恒載作用下，梁體的變形比較小，且與直線橋相差不大。由于施工過程中梁體的變形既有撓度又有扭轉，且具有不可恢復性，所以控制施工過程中的變形，特別是懸臂施工階段的變形，對確保成橋線性至關重要。在設計和施工，需要考慮設置撓度和扭轉角預拱度。成橋后，梁體的抗扭剛度較懸臂施工階段大，曲率對橋梁結構的影響不如懸臂階段明顯。

從前面的分析中可以看出影響梁體的扭轉變形的主要因數(shù)是曲率半徑的大小和墩的橫向剛度。曲線連續(xù)剛構橋在合攏的過程中扭轉將導致在合攏時梁體空間位置的偏差，若在施工過程中對多個懸臂T構的扭轉預測不夠，將難以保證梁體在容許誤差范圍內合攏，不但增加了施工的難度，而且將影響成橋線性。

與一般的曲線梁橋不同，懸臂施工過程中的曲梁梁體在自重作用下呈向內側扭轉，而合攏以后則變成向外側扭轉，所以在合攏時需要預留一定的向內側扭轉的變形，以抵消合攏在二期恒載作用下的梁體向外側的扭轉變形。

考慮到墩橫向剛度對曲線橋扭轉變形的影響，在設計時應考慮采用較小的墩高，或在構造上加大橋墩的橫向剛度，如采用變截面，以保證在橫向剛度增加的同時，不過大影響縱向剛度的措施，也是一種可行的辦法。