大跨度预应力连续刚构桥结构安全性分析

２０１５年第６期　北　方　交　通　一１３一　文章编号：１６７３—６０５２（２０１５）０６－００１３一ｏ４　ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂ０ｔ．２０１５．０６．００４　大跨度预应力连续刚构桥结构安全性分析　张　立　（山西省交通科学研究院太原市０３０００６）　摘要：针对连续刚构桥施工阶段和运营阶段结构安全性问题，结合具体的工程实例，利用有限元计算软件　Ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ　２０１０，建立有限元杆系梁单元模型，考虑各种荷载作用对连续刚构桥结构影响，参照相应的规范，得出预　应力连续刚构桥在施工阶段和运营阶段结构的内力、线形、应力均满足规范要求。　关键词：预应力．冈０构桥；施工阶段；运营阶段　中图分类号：Ｕ４４７　文献标识码：Ｂ　１９８５年，澳大利亚建成了跨径为１４５ｍ＋２６０ｍ　段和合拢段梁高均为２．２ｍ，其间梁底下缘曲线按二　＋１４５ｍ的门道桥（Ｇａｔｅｗａｙ　Ｂｒｉｄｇｅ），它在刚构桥修　次方抛物线变化；各梁端截面顶板厚度分别为：０号　建史上具有十分重要意义。中国连续刚构桥发展较　梁段７０ｃｍ，１号一９号梁段２５ｃｍ，梁端支承段　晚，直到１９８８年建成主跨１８０ｍ广东洛溪大桥，开　７０ｃｍ；底板厚度由跨中的２５ｃｍ按二次抛物线变化　创了中国建设大跨径连续刚构桥的先河。与一般的　至距０号块中心线６ｍ处的６０ｃｍ，０号块中心处底　桥梁相比，预应力混凝土连续刚构桥具有美观、刚度　板厚度为１００ｃｍ；４号块件以前的箱梁腹板厚为　大、净空大、抗震性好、维护费用较低等优点，得到了　０．６５ｍ，４号块件以后为０．４５ｍ，且在４、５号块件范　大力推广¨　。　围内由０．６５ｍ按直线变化到０．４５ｍ。　但是由于预应力混凝土连续刚构桥在运营过程　上部结构采用挂篮悬臂浇筑法进行施工，各单　中存在腹板、底部、顶板裂缝以及跨中下挠等问题，　“Ｔ”箱梁除墩顶现浇块件采用在托架上现浇外，其　尤其是跨中下挠问题是世界桥梁界上公认的难题之　余均采用对称悬臂浇筑法施工，节段长度为：５×３ｍ　一。笔者针对连续刚构桥施工阶段和运营阶段结构　＋３．５ｍ＋３×４ｍ；边跨现浇段长度１１．５ｍ，边、中跨　安全性问题，通过具体的工程实例，利用有限元计算　合拢段长度为２ｍ。主梁除布置纵向预应力束外，在　软件Ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ　２０１０，建立有限元杆系梁单元模型，　顶板内设有横向预应力束，在腹板及横隔板内设置　考虑各种荷载作用对连续刚构桥结构影响，计算出　竖向精扎螺纹粗钢筋。　预应力连续刚构桥在施工阶段和运营阶段结构的内　各种材料参数值依据设计图纸及规范　取用。　力、线形、应力，进而验证结构安全性。　表１及表２分别列出了混凝土、预应力材料的强度　１工程概况　和弹性模量的取值，ｏｒ。　为张拉控制应力。　１．１计算参数　表１混凝土材料参数取值表（单位：ＭＰａ）　某连续刚构桥，全长１８８ｍ，上部结构为５０ｍ＋　７５ｍ＋５０ｍ三跨预应力混凝土连续刚构，梁体采用　变高度单箱双室，梁在横桥向底板保持水平，顶板　１．５％的单向横坡，通过内外侧腹板高度来设置。桥　梁横向布置为５ｍ（人行道）＋１４．５ｍ（车行道）＋　１．２计算荷载　０．５ｍ（防撞护栏）。桥梁设计荷载是公路一Ｉ级，人　（１）自重。主梁和桥墩混凝土容重及桥面现浇　群３．５ｋＮ／ｍ　。箱梁中０号梁段梁高为４．５ｍ，现浇　层混凝土容重按２６ｋＮ／ｍ。取值；防撞护栏容重按　北　方　交　通　２０１５年第６期　表２预应力材料参数取值表（单位：ＭＰａ）　２５ｋＮ／ｍ　取值，沥青混凝土按２４ｋＮ／ｍ　取值。　（２）预应力。施工阶段计算时预应力钢束按设　计图纸施工顺序张拉；预应力损失计算¨　参数参照　规范及设计图纸取值如下：端锚具回缩量０．００６ｍ；　预应力管道摩阻系数　取０．１７；预应力管道局部偏　差Ｋ取０．００１５；预应力松弛系数∈取０．３。　（３）桥面铺装及护栏等二期恒载集度。桥面铺　装及护栏等二期恒载集度取为９７．５ｋＮ／ｍ。　（４）收缩徐变。施工过程中考虑混凝土收缩徐　变的影响，成桥后考虑ｌＯ年收缩徐变的影响。　（５）桥梁结构整体升温２０℃，整体降温２０ｃｃ。温　度梯度按《公路桥涵设计通用规范》　（ＪＴＧＤ６０—　２００４）要求计算，具体取值如下：　正温度梯度：Ｔ１＝１４℃；Ｔ２＝５．５℃；　负温度梯度：Ｔ１＝一７℃；Ｔ２＝一２．７５℃。　（６）汽车荷载采用公路Ｉ级荷载，单幅按三车　道计算；平面分析时偏载增大系数采用１．１５；本桥　的结构竖向基频为０．８４Ｈｚ，根据规范　Ｊ，汽车荷载　冲击系数为０．０５。　１．３施工顺序　主墩施工完成后，安装０号梁段现浇托架浇筑０　号梁段，其余梁段采用挂篮悬臂对称、平衡浇筑施工，　直至各单“Ｔ”最大悬臂，然后依次进行边跨合拢、中　跨合拢　Ｊ。计算时主桥施工工序参照设计图纸中施　工方案进行计算，依据设计图纸描述将大桥施工过程　模拟成４１个施工阶段　Ｊ，详细施工工序见表３。　１．４结构模型　全桥结构计算分析采用有限元程序ＭＩＤＡＳ／　Ｃｉｖｉｌ２０１０。根据设计图纸中的结构布置和结构尺　寸，将全桥结构离散成８５个节点、７４个单元，其中　１～５６单元为主梁单元，５７～７４为桥墩单元，全桥计　算模型见图１，从左到右桥墩编号为０｝｝、１＃。　２　施工阶段计算结果　２．１位移计算结果　（１）施工阶段主梁竖向位移　各个主要施工阶段主梁竖向变形（向上为正）　表３施工工序表　图１全桥计算模型（左侧为０掸桥墩，右侧为ｌ＃段）　见表４。　表４各施工阶段主梁竖向位移值　从表４看出，各个主要施工阶段的最大竖向位　移值均在全梁跨中出现。在最大悬臂施工阶段，最　大竖向位移为１９．１ｍｍ，方向向下；在中跨合拢后　（未张拉合拢应力时）阶段最大竖向位移为　１４．７ｍｍ，方向向上；在成桥后阶段最大竖向位移值　为１２．７ｍｍ，方向向下；在成桥１０年后桥梁最大竖　向位移达到２２．８ｍｍ，方向向下，故各个主要施工阶　段主梁竖向变形最大值为２２．８ｍｍ。　２．２主梁应力计算结果　整个施工过程中主梁应力包络图（受压为负，　２０１５年第６期　张立：大跨度预应力连续刚构桥结构安全性分析　一１５一　受拉为正，单位：ＭＰａ）如图２一图５所示。　图２整个施工过程中主梁顶板压应力最大值包络图　图３整个施工过程中主梁底板压应力最大值包络图　０ｌ８　Ｏ４　０．４　Ｏ．４　Ｏ．４　Ｏ．４　０．４　Ｏ｛８　．图４整个施工过程中主梁顶板法向拉应力最大值包络图　图５整个施工过程中主梁底板法向拉应力最大值包络图　从图２可知，主梁顶板压应力最大值为　１０．２ＭＰａ；由图３可知主梁底板压应力最大值为　８．１ＭＰａ；由图４知主梁顶板的法向拉应力以跨中为　对称轴对称分布，最大值为０．８ＭＰａ，出现在整个梁　两侧的边跨附近；由图５知主梁底板法向拉应力也　以跨中为对称轴对称分布，最大值为０．４ｂｉＰａ，出现　在Ｏ＃墩顶和ｌ＃墩顶梁支座处。根据规范　Ｊ，在整个　上部结构施工过程中，主梁上下缘最大法向压应力　界限值为２４．８５ＭＰａ，最大法向拉应力界限值为　１．９２ＭＰａ，而实际该主梁上下缘最大法向压应力和拉　应力分别为１０．２ＭＰａ、０．８ＭＰａ，均小于界限值，故施工　过程中主梁截面法向正应力均满足规范规定的短暂　状况构件的应力要求，施工阶段箱梁结构应力安全。　３运营阶段　运营阶段主要对结构承载能力极限状态和正常　使用极限状态进行分析计算，计算中主要考虑的荷　载包括桥梁结构恒载、预应力、混凝土收缩徐变、温　度效应等。　３．１承载能力极限状态验算　承载能力极限状态主梁正截面弯矩包络图和主　梁正截面剪力包络图见图６和图７。　图６连续刚构桥弯矩包络图（单位：ｋＮ・１１１）　图７连续刚构桥剪力包络图（单位：ｋ＿Ｎ）　从图６可知，中跨跨中截面最大弯矩组合值为　１．０６×１０　ｋＮ・ｍ，根据规范　Ｊ，小于承载力设计值　１．２２×１０　ｋＮ・ｍ；０群和１＃主墩截面最大弯矩组合值　均为一４．８９×１０　ｋＮ・ｍ，小于承载力设计值７．６４×　１０　ｋＮ・ｍ，满足规范要求【２ｊ。　从图７可知，边跨支座截面最大剪力组合值为　一１．１０×１０　ｋＮ，根据规范　Ｊ，小于设计值承载力　一２．０４×１０　ｋＮ；主墩截面最大剪力组合值为　一３．２５×１０　ｋＮ，小于承载力设计值一４．６４×１０　ｋＮ，　满足规范要求　］，故截面最大、最小组合弯矩及剪　力效应均小于截面抗力值，构件强度满足要求。　３．２正常使用状态验算　（１）主梁抗裂性验算　根据设计规范　］，预应力混凝土受弯构件应力　应符合以下规定（压应力为正，拉应力为负）：　①正截面抗裂验算中截面上下缘最不利应力为　一１．１８ＭＰａ（短期组合下），小于一１．９２ＭＰａ，满足规　范要求。　②斜截面抗裂验算中截面最不利应力为　一１．１８ＭＰａ，小于一１．３７ＭＰａ，满足规范要求。　故本桥运营阶段主梁抗裂性均满足规范要求。　（２）主梁应力验算　正常使用阶段混凝土的截面上下缘最不利法向　压应力为１２．００ＭＰａ，小于１７．７５ＭＰａ，斜截面最不利　主压应力为１２．５２ＭＰａ，小于２１．３０ＭＰａ，均满足规范　要求，故本桥运营阶段主梁应力均满足规范　要　求。　４结论　（１）通过对该连续刚构桥的施工阶段及运营阶　段进行验算，结果表明该连续刚构桥满足公路一Ｉ　级承载能力及正常使用要求。　（２）通过对各个施工阶段主梁竖向变形分析，　可知主梁结构在成桥１０年之后，跨中下挠较为严　重，因此在施工的时候，监控单位和施工单位需要考　虑收缩徐变、施工荷载对桥梁预拱度的影响。　北　方　交　通　２０１５年第６期　（３）通过对各个施工阶段主梁结构应力分析，　参考文献　王彬．高墩多跨连续刚构桥合龙顶推力计算方法探索［Ｊ］．山　西交通科技，２０１３（２）：９０—９２．　中华人民共和国交通部．ＪＴＧ　Ｉ）６２—２０１２公路钢筋混凝土及预　可知主梁根部在最大悬臂端时应力最大，因此需要　施工单位或监控单位在主梁根部布置传感器，实时　跟踪主梁根部应力，观察应力的变化情况，从而确保　结构应力满足规范要求。　（４）通过对运营阶段各项指标进行分析，可以　看出结构安全储备相对较小，需要养护单位，实时养　护，加大巡查力度，及时排除不利因素，确保桥梁正　常运营。　应力混凝土桥涵设计规范［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１２．　中华人民共和国交通部．ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４公路桥涵设计通用规　范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．　中华人民共和国交通部．ＪＴＧ／ＴＦ５０—２０１１公路桥涵施工技术　规范［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｐａｎ　Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｒｉｇｉｄ　Ｆｒａｍｅ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｚＨＡＮＧ　Ｌ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｒｉｇｉｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ　２０１０　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｂｅａｍ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅ１．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｌｏａｄｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｒｉｇｉｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｒａｗｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｉｒｇｉｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅｓ，ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ；Ｒｉｇｉｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｒｉｄｇｅ；Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ；Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　（上接第１２页）　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ——ｌｏａｄ——ｃａｒｒｙｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ａ　Ｔｗｏ——ｗａｙ　Ｃｕｒｖｅｄ　Ａｒｃｈ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　Ｂｏｔｈ　Ｎｅｗ　ａｎｄ　Ｏｌｄ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ＦＥＩ　Ｗｅｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｗｏ—ｗａｙ　ｃｕｒｖｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｔｙｐｉｃａｌｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｓｏｍｅ　ｔｗｏ—ｗａｙ　ｃｕｒｖｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｒｅ　ｆａｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒｅ　ａｇｉｎｇ．Ｔｈｕｓ，ｈｏｗ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔａｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａｎ　ｕｒｇｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｏ　ｂｅ　ｓｏｌｖｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃａｓｅ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ——ｌｏａｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｗｏ——ｗａｙ　ｃｕｒｖｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｎｅｗ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｏｌｄ　ｏｎｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｔｗｏ—ｗａｙ　ｃｕｒｖｅｄ　ａｒｃｈ；Ｏｌｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；Ｎｅｗ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；Ｌｏａｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ