浅析大跨度桥梁转体桥预拱度计算分析

瞿生科

摘 要：平转法施工在特定情况下（如）跨越重要交通运输路线，具有其他施工方法无法比拟的优越性。平转法施工通常具有所用施工设备少、难度小、速度快、费用低、对现有交通影响小、结构受力合理的特点，近年来在桥梁施工中应用越来越多。本文主要论述桥梁转体桥预拱度计算，阐述各种状态下对预拱度有影响。

关键词：预拱度;线形控制;支架刚度

线形控制（狭义上称高程控制）是施工控制的重要内容。线形控制非常重要，它是保证顺利成桥的关键。为了成桥时桥梁线形达到预定目标，在主梁的施工过程中需设置预拱度。预拱度的设置以理论计算为基础，以实际测量的主梁变位为依据，并考虑施工过程中混凝土的实际容重、收缩徐变、预应力效应、桥面临时荷载、体系转换、日照温差等多方面的影响。那么弄清预拱度曲线的变化规律很有必要。预拱度的形状主要取决于桥型和施工方法，预拱度的大小主要取决于桥梁刚度、荷载及施工环境中各方面因素。本章以跨京沪铁路转体桥计算模型为基础，通过改变计算模型中的平曲线半徑、支架刚度、徐变模型、墩身高度等参数，分析得到由恒载、预加力、收缩徐变及1/2静活载计算的预拱度的变化规律[16]，从而为转体施工的T型刚构桥梁预拱度的计算提供借鉴。

一、预拱度影响因素

影响预拱度的因素即是影响桥梁变形的因素，主要因素有：

1计算图式和结构刚度

不同的桥型对应不同的计算图式，不同的计算图式对应不同的预拱度性状。比如等刚度简支梁桥，跨中挠度最大，支点处最小。

结构刚度越大，结构变形越大;反之越小。

2结构自重

自重作用引起的变形在总变形中占有很大的部分，特别是大跨度桥梁中。

3二期恒载

桥面铺装、防撞护栏等作用及二期恒载上桥时间对桥梁变形有较大影响。

4预加力

预应力引起的变形在总变形中占很大部分，比如悬臂状态下张拉顶板束会引起主梁上挠，张拉底板束会引起主梁下挠。预加力越大，变形越大。

5结构体系转换

施工过程中往往需要经历很多次体系转换，这样计算图式不断变化，从而引起变形规律的变化。

6施工方法

不同的施工方法施工工序不尽相同，各施工阶段对应的结构、边界条件、荷载不同，变形也不同。比如悬臂施工和支架施工，悬臂施工是静定体系，而支架施工可看成是多点支承的超静定体系，主梁的变形存在很大的差异。若只考虑主梁自重荷载，有支架施工的特点是施工过程中节段自重由支架承受，完成各节段的施工后各节段整体落架，自重由支座承担;悬臂施工的特点是施工过程中各节段的自重荷载始终由支座或临时支承承担。有支架施工先完成节段自重对后施工节段的变形也有影响;悬臂施工先完成节段自重对后完成节段变形没有影响[18]。

7混凝土收缩徐变

混凝土的收缩徐变计算比较困难，影响的因素很多，主要有水泥品种、集料性质、配合比、外加剂、加载龄期、温度、应力大小和持续时间等。混凝土收缩徐变机理比较复杂，本质上取决于其内部的物理化学过程。目前主要的理论有力学变形理论、塑形理论和粘性流理论。不同的模型计算的变形值有较大差别。

8挂篮自重及其变形

如果采用挂篮悬臂施工，挂篮自重对已浇梁段产生变形，挂篮自身也发生变形。

9支架刚度

如果采用支架施工，支架的支承刚度大小影响主梁变形，刚度大变形小，刚度小变形大。

10墩身变形

墩身变形直接影响主梁线形，特别是高墩情况。

11平曲线和纵坡

位于平曲线上的桥梁属于空间结构，应该考虑空间效应，如主梁扭转变形。当主梁位于较大的纵坡上时，应该考虑其影响。

12温度

混凝土结构在温度荷载作用下会发生变形，特别对于超静定结构影响更大。

13施工荷载

施工过程中，临时荷载引起主梁变形，卸除后变形恢复。

由上可知，影响变形的因素很多。而对于同一种桥型和同一施工方法的桥梁，前6种因素影响下的变形规律是不变的，变形主要考虑后7种因素，尤其是（7）-（11）。

二、平曲线对预拱度的影响

曲线梁桥由于弯扭耦合使得其受力变形较直线桥复杂的多[10]，预拱度计算比较困难。曲线桥转体施工法的实例为数不多，预拱度的设置要除了要考虑转体法的特殊性外，还要考虑平曲线的影响[16]。

为了分析各种半径平曲线对预拱度设置的影响，在原桥基础上，保持中间柱墩位置及切线方向不变，建立半径600m、400m、300m、200m、150m共5个有限元计算模型。通过对6个模型计算结果的对比分析，得到平曲线对支架现浇转体施工桥梁预拱度的影响。以下预拱度图中：竖向预拱度向上为正，向下为负;扭转预拱度符合右手螺旋法则，大拇指从端支点指向中支点，顺食指方向为正，反之为负;横向预拱度向曲线外侧为正，内侧为负。

1 平曲线对竖向预拱度的影响

各平曲线半径桥梁计算得到的竖向预拱度见图1。

由图1可知，不管平曲线半径为何值，竖向预拱度的极值发生在15号节点（A2节段末）、24号节点（A4节段开始）及16号节点（A3节段开始）。且竖向预拱度随着曲线半径的减小有增大的趋势，曲线半径大于300m时，竖向预拱度增幅绝对值较小，曲线半径小于300m时，竖向预拱度增幅绝对值较大。以15号节点为例，曲线半径600m、400m、300m时竖向预拱度较曲线半径800m分别增加2%、6%，11%;曲线半径200m、150m时竖向预拱度较曲线半径800m分别增加24%、39%。但是预拱度的绝对值及增幅绝对值并不大，分别约15mm、6mm。可见，平曲线对竖向预拱度的影响较小，在大半径曲线时可以不考虑其影响。

2平曲线对扭转预拱度的影响

各平曲线半径桥梁计算得到的扭转预拱度下图：

由图2可知，不管平曲线半径为何值，扭转预拱度的极值发生在5号节点（A1节段）、31号节点（A4节段末），而24号节点（A4节段开始）基本为0。且扭转预拱度绝对值随着曲线半径的减小有增大的趋势，曲线半径大于300m时，扭转预拱度增幅绝对值较小，曲线半径小于300m时，扭转预拱度增幅绝对值较大。以5号节点为例，曲线半径600m、400m、300m时预拱度绝对值较曲线半径800m分别增加33%、100%，166%;曲线半径200m、150m时预拱度绝对值较曲线半径800m分别增加300%、425%。

扭转预拱度在A4合拢段开始处基本为0，这是由于施工完成A3节段后脱架，前3个节段的扭转变形既已基本完成，而后浇A4节段对此处的扭转变形影響较小。扭转预拱度的绝对值及增幅绝对值并不大，分别约0.063°（梁截面左右两点高差约5.5mm）、0.051°。

可见，平曲线对扭转预拱度的影响大于对竖向预拱度的影响。当曲线半径较大（大于300m）时，可以不考虑平曲线的影响。

3平曲线对横向预拱度的影响

各平曲线半径桥梁计算得到的横向预拱度见图3。

由图3可知，不管平曲线半径为何值，横向预拱度的极值发生在1号节点（A1节段开始）、31号节点（A4节段末），而23号节点（A3节段末）基本为0。且横向预拱度绝对值随着曲线半径的减小有增大的趋势，曲线半径大于300m时，横向预拱度增幅绝对值较小，曲线半径小于300m时，横向预拱度增幅绝对值较大。以1号节点为例，曲线半径600m、400m、300m时预拱度较曲线半径800m分别增加50%、105%，172%;曲线半径200m、150m时预拱度较曲线半径800m分别增加305%、438%。

横向预拱度在A4合拢段开始处基本为0，这是由于施工完成A3节段后脱架，前3个节段的横向变形既已基本完成，而后浇A4节段对此处的横向变形影响较小。横向预拱度的绝对值及增幅绝对值并不大，分别约9.7mm、7.9mm。

可见，平曲线对横向预拱度的影响大于对竖向预拱度的影响。当曲线半径较大（大于300m）时，可以不考虑平曲线的影响。

平曲线对预拱度的影响主要表现在对横向、扭转预拱度的影响，对竖向预拱度影响较小。当半径大于300m时，计算预拱度时可以不考虑平曲线。

二、支架刚度对预拱度的影响

在原桥模型基础上，增加支架竖向刚度一倍，即支架竖向刚度取40000t/m，进行对比分析。竖向、扭转、横向预拱度见图4、5、6。

由图可知，支架刚度增加一倍，竖向、扭转、横向预拱度基本不变，最大差值约0.4mm。由此可见，满堂支架施工经过预压后刚度已经很大，支架刚度在合理范围内取值，基本不会影响预拱度的大小[16]。

三、徐变模型对预拱度的影响

原桥模型采用老化理论计算混凝土收缩徐变，收缩徐变计算参数见下节。采用公路04规范收缩徐变计算公式建立计算模型，进行对比分析。

竖向、扭转、横向预拱度见图7、8、9。由图可知，采用不同的徐变模型，计算的竖向预拱度差异较大，最大差值约10mm。而对扭转、横向预拱度的影响较小，对于本桥可以不予考虑。

四、墩身高度对预拱度的影响

原桥模型桥墩高度10.5m，通过改变其墩身高度建立墩高15m、20m、25m的计算模型，进行对比分析。不同墩身高度的桥梁竖向、扭转、横向预拱度见图10、11、12。

由图可知，墩身高度的变化对竖向、扭转预拱度的影响甚小，最大差值分别为3mm和0.011°（相当于主梁两侧1mm的高差），可以忽略。当墩身高度较大时，由于墩身横向变形较大，主梁应该考虑设置横向预拱度。墩身高度对竖向预拱度的影响主要是由墩身压缩引起的，本桥墩身为实心截面，压缩刚度较大，墩身竖向压缩变形较小。

五、运营阶段混凝土收缩徐变引起的预拱度

一般情况下，桥梁施工周期较短，混凝土收缩徐变是一个长期的过程，成桥时混凝土收缩徐变并没有完成，因此预拱度要考虑运营阶段混凝土收缩徐变因素。一般在成桥后插入一个施工周期为10年的施工阶段（不考虑移动荷载），考虑运营阶段混凝土收缩徐变。主梁成桥时和收缩徐变10年后的主梁变形见图13、14、15。

由图可知，收缩徐变10年后，主梁竖向变形较大，最大10mm，应该在预拱度设置中考虑。主梁扭转和横向变形较小，设置预拱度时可以不考虑。

六、各部分作用对预拱度的贡献

主梁变形是由多种作用共同作用的结果，不同作用引起的变形大小不相同，那么各作用下，主梁应该设置的预拱度也不相同。各种作用下应设竖向预拱度见图16。

由图可知，结构自重和预加力作用下的应设预拱度较大，但方向相反，基本抵消。收缩徐变和1/2静活载作用下的应设预拱度较小，方向也相反，但收缩徐变的比1/2静活载的绝对值要大。

七、结论

通过上述分析，可以得出以下结论：

1不同半径平曲线对预拱度有影响。随着平曲线半径的减小，竖向预拱度、横向预拱度绝对值、扭转预拱度绝对值都有增大的趋势：平曲线半径大于300m时，增幅绝对值较小;平曲线半径小于300m时，增幅绝对值较大。平曲线对横向、扭转预拱度的影响较大，对竖向预拱度影响较小。当半径大于300m时，计算预拱度时可以不考虑平曲线的影响。对于本桥，可以只设置竖向预拱度，不设置扭转、横向预拱度。

2支架刚度取值在合理范围内时，对预拱度的影响较小。

3采用不同徐变模型计算的预拱度差异较大。对于本桥，只需要考虑不同徐变模型对竖向预拱度影响的差异。应该在线形控制过程中，根据实际情况调整，选取合理的徐变模型参数计算预拱度。

4墩身高度对曲线桥梁的横向预拱度产生较大的影响。墩身高度较大时，应考虑设置横向预拱度。

5本桥运营阶段混凝土收缩徐变作用下，产生较大的竖向变形。计算预拱度时应考虑。

6结构自重和预加力作用下的应设置的预拱度值较大，其计算误差对预拱度的设置产生的影响最大。

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