悬臂施工预应力混凝土梁桥成桥预拱度设置方法研究.pdf

2 0 1 4年第 6期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 3 5期 文章编号 ： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 3 20 4 悬臂施工预应力混凝土梁桥 成桥预拱度设置方 法研 究 陈映贞，樊 锋 ， 李 杰 ( 广东华路交通科技有限公司， 广州 5 1 0 4 2 0 ) 摘要 ： 对悬臂施工预应力混凝土梁桥预拱度设置方法和影响因素进行研究的基础上， 结合桥梁结构的有限元模 拟分析以及已有大跨径混凝土梁桥长期变形规律的统计结果， 提出一种以桥梁结构长期变形曲线为基础的成桥 预拱度设置方法。通过工程算例， 将其与已有的计算方法进行比较分析。该计算方法具有概念清晰， 符合桥梁 结构变形实际的特点 ， 且具有不受桥型结构限制的特点， 可为桥梁结构的设计和施工监控提供参考。 关键词：大跨度； 预应力混凝土；粱桥； 预拱度 中图分类号 ： U 4 4 1 5 文献标识码 ： A 0 引言 大跨度 桥梁 在悬 臂施工 过程 中受 混凝 土 自 重 、 预应力钢筋 的张拉 、 挂篮 变形 、 混凝 土收缩 与 徐变 、 温度变化及临时荷载等因素的影 响， 会使其 在施工中产生一 定的竖 向位移 ， 桥 梁在使用过 程 中受汽车荷载 、 预应力 、 混凝土的长期收缩与徐变 等因素的影响， 也会产生偏离设计线形的竖向位 移。为 了保证桥梁 的正 常合 拢与线形 的美观 ， 在 施工过程中， 人为地设置预拱度值来消除其影 响。 现行 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设 计 规范 规定 ， 对 于预应力混凝土受弯构件 ， 当预加 应力的长期反拱值小于按荷载短期效 应组合计算 的长期挠度时应设预拱度 。 目前 ， 大跨 径预应力混凝 土连续梁 桥预拱度 的设置上 ， 一般 采用带收缩徐变 的杆 系有限元计 算程序计算分析得到 J 。然而， 由于引起桥梁结 构的长期变形 的各因素 的作用是相 互耦 合 ， 实 际 的影响也 十分 复杂 ， 目前仍无法通 过计 算分析方 法来准确地预测桥梁结构长期变形值 ， 由此造成 了早期部分桥梁所设置 的预拱度不足 以消除梁后 期下挠变形 的影 响， 而 出现 了下挠过大的病 害 。 因此 ， 在桥梁施工 监控 中如何准确地设 置桥梁 的 预拱度来消除施工和后期 营运过程 中竖向变形的 影响 ， 使得其后期营运线形达到设计 的理想线型 ， 已成为 目前 桥梁工 程上 亟待解 决 的重 要 问题 之 一 。为此 ， 本文在对悬臂施 工预应力 混凝 土梁桥 预拱度设置影响因素和设置方法进行研究 的基础 上 ， 结合桥梁结构 的有限元模拟分析 以及 已有大 跨径混凝土梁桥长期 变形规 律的统计结果 ， 提 出 一 种 以桥梁结构长期变形曲线为基础的预拱度设 置方法 ， 并通过工程算例 ， 将其与 已有的计算方法 进行 比较分析 。结果表 明： 该计算方 法具有概念 清晰， 符合桥梁结构变形实际 ， 不受桥型结构限制 的特点 ， 可为桥梁结构 的设计 和施 工监控提供参 考 。 l 悬臂施工预应力混凝 土梁桥预拱 度设 置 主要影响因素及计算方法分析 悬臂施工预应力混凝土连续梁桥施工过程 中 预拱度 的设置主要包括两大部分施工预拱度和成 桥预拱度 ， 即 ： ： ( 、 1 、 ) 式中： 为施工预拱度 ， 为成桥预拱度。 1 1 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 际位置偏离预 期的状态 ， 而造成桥梁施工难 以顺利合拢 ， 因此 ， 在设计上通 过合理地设 置桥梁的预拱度 ， 并在施 工 中加 以严 作者简介： 陈映贞( 1 9 8 2 0 9一) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向： 既有桥梁病害分析与诊治， E - ma i l ： c h y i n g z h 1 6 3 c o m。 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 陈映贞， 等悬臂施工预应力混凝土梁桥成桥预拱度设置方法研究 总第 1 3 5期 格 的控制。施工预拱度设置如下 ： 厂 = + + + 厂 4 + + + ( 2 ) 式中： i 为 本阶段 块件生 成后和以 后 各阶 段挠 度的 累 计值； 为本次 浇筑梁段 及后浇梁 段纵 向预应力张拉后对该 点挠 度的影响值 为 前期收缩徐变值 为挂篮变形影响值 为温度 的影响 为施工荷载产生的挠度 为体 系转换 和二期恒载产生的挠度。 对于桥 梁施 工 预 拱 度 的设 置 ， 在 工 程 设 计 中， 通过建立桥梁结 构施工阶段 的有 限元计算 模 型 ， 对施工过程中引起结构变形 的各影 响因素准 确识别 ， 由结 构正 装 分析 可 以较 准确 地计 算 得 到 。 1 2 成桥预拱度 成桥预拱度是 指桥梁在运 营 阶段受 活载 、 预 应力损失 、 混凝 土的长期收缩徐变 等因素影 响而 使结构产生累计变形 的反值 ， 其计算式如下 ： = + 去 ( 3 ) 式 中： 为混凝 土的长期收缩徐变所 引起 的 挠度值 ， 为汽车活载引起 的挠度。 然而 ， 由于混凝土徐 变对桥梁结 构 的影 响是 十分复杂的， 其在引起桥梁下挠度变形 的同时， 往 往会伴随着预应力损 失和梁体开裂 的病害 ， 使得 桥梁结构的内部应力状态偏离了原设计状态。 目前 ， 不论是老化理论 ， 修正老化理论还是规 范规定的计算方法， 都难以正确地估算混凝土徐 变对桥梁结构下挠变形的影 响。对于成桥预拱度 的设置 ， 目前工程上 广泛采用结合 预应 力混凝土 长期挠度理论计算和基 于已建成预应力混凝土梁 桥在经过几年的营运后的主跨和边跨长期变形统 计规律 ， 按 照一定 的变 化 曲线 向全 桥分 配设 置。 主要的两种分配 曲线包括二次抛物线法和余 弦曲 线法。 1 2 1二 次抛物 线 分 配法 按二次抛物线拟合 分配 曲线 ， 根据计算 可得 中跨二次抛物线方程为 ： Y= 一 +警 一 + T 4 ， 边跨最大挠度一般发 生在 3 L 8 ， 约为中跨 最 大挠度的 1 4， 其抛物线方程为 ： + ( 0 3 L 8 ) 9 L 。 3 L 2 5 L + 2 5 L+ 2 5( 3 8 ) 一 2。 。 一 式中： 为跨 径 ； 为 中跨跨 中成桥 的预拱 度。 1 2 2余 弦 曲线 法 余弦曲线法设置桥梁的预拱度表达式如下 ： y ：冬 ( 1 堋s ) ( 6 ) 边跨预拱度设置方程 ： 每 ( 1 一 c os ) ( 3L 8 ) 等1 + c0s ( 一 ) ( 3L 8 ) 式中： L为跨径 ； 为中跨跨 中成桥的预拱度。 然而 ， 这两种方法在设置桥梁的预拱度方面 ， 都存在一定的不足： ( 1 ) 二次抛物线法 的设置一般与桥 自身 的线 型吻合得较好 ， 因为梁体底部厚度 和梁高 的变化 一 般采用二次抛物线 ， 因此 ， 成桥后桥梁的线型更 加美观。然而采用该方法设 置的预拱度在桥墩处 必然 出现尖点， 造成行车不顺畅 ( 图 1 ) 。另外 ， 该 方法得到的曲线与经典 的徐变理论计算结果存在 较大的差异。 边跨 一 l ， 中跨 跨中 垩题 趁盐曲 绔 垩题 口 j 量 I 夔堕线 按抛物线分配 按余弦曲线分配 ， ， 万 图 1 成 桥预拱度线形 ( 2 ) 余弦曲线法较 好地克服 了二 次抛物线法 所存在 的不足 ， 并且 与经典的徐变理论计算 结果 也吻合得较好( 图 1 ) ， 但是该 曲线与主梁的原设计 线型存在不一致 ， 在 一定程度上也存在一定 的不 协调现象。 ( 3 ) 无论是二次抛物线法还是余 弦曲线法 ， 都 认为边跨的最大挠度值发生在距离中跨的 3 L 8 处 ， 这一定程度上与桥梁结构 的实际情况并不完 全相符， 特别是对于边跨不等跨的连续箱梁桥， 两 个边跨的最大挠度值 和发生的位置有可能并不完 全一致。 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 广东公路交通 总第 1 3 5期 2 基于桥梁长期变形的成桥预拱度设置方法 从 以上的分析 ， 可知桥梁结构施 工预拱度设 置 目前采用有 限元程 序模 拟桥梁结 构正装 计算 法 ， 可以较准确地得 到 ， 因此 ， 悬臂施工连续梁预 拱度的设置重点就在于成桥的预拱度的设置 。 已有的石 耳 究表明 ， 预应 力混凝土梁桥 长期挠 度值一般取为 1 5 0 0一 1 0 0 0左右 ， 而边跨其 大小一般为中跨最大挠度 的 1 4 _ 4 j 。而针对二次 抛 物线法和 双 曲线 法设置 预拱度 存在 的 曲线 不 协调 、 不平顺 以及不等跨边跨预拱度最 大位 置设 置不准确的问题 ， 可结合桥梁结构的有 限元模型 计算加 以解决 。该问题 的处理方法如下 ： ( 1 ) 由经验公式确定主跨跨中的长期挠度值 ， ， ( 可取 ， 边跨 长期挠度 值取 ， 其 中 L 为 主跨跨径 ， 为边跨跨径 ) 。 ( 2 ) 结合考虑收缩徐变计算的有限元计算分 析 ， 确定边跨 最 大预拱 度 的设 置位 置 ， 并 分别 在 该处和主跨跨 中施 加最 大挠度值 的强 制位 移得 到相应 的桥梁结构挠曲变形 曲线 。 ( 3 ) 提取 ( 2) 挠 度 曲线值 ， 并将 其反 号作 为 考虑收缩徐变影响的桥梁长期预拱度设 置值 。 ( 4 ) 在 ( 3 ) 的基 础 上 ， 考虑 活载 和基 础 沉 降 的影响 ， 由式( 3 ) 最终成桥预拱度设置值 。 从能量的角度上讲 ， 该设置方法 符合桥梁 结 构最 自然 的一种变形状态 ， 且成桥 的线型最符 合 实际 ， 桥面 曲线也平 滑 ， 可 以有效地 避免 二次 抛 物线法和余 弦曲线法所存在 的不足。 3 算例 某预应力 混凝 土变截 面连续箱梁桥 ， 跨径组 合为( 6 8 m+1 1 8 m+ 7 3 5 m) ， 箱梁截面为单箱单室 形式 ， 箱梁中心线处支点梁高 6 8 m， 跨 中以及边孔 直线段梁高 3 O m， 梁高按 2次抛物线变化 ， 箱梁顶 宽 1 4 1 3 m， 底宽为 7 1 3 m。下部结构为承 台群桩 基础， 每个主墩采用 3 4根直径 1 5 m钻孔灌注 桩基础 ， 设计荷载为公路 一I 级 ， 采用悬臂浇筑法 施工。采用有限元计算程序模拟桥梁施工各阶段 的受力状况， 计算模型见图2 。通过有限元软件的 模拟分析可知 ， 成桥后桥 梁的最大长期挠度发 生 位置分别在 ： 6 8 m边跨距离该跨边墩为 1 7 m， 主跨 跨 中和 7 3 m边跨距离该跨边墩 为 2 3 m。由经验公 式可知相应这三个位置的长期挠度变形值分别为 3 4 2 8 3 ra m、 1 1 8 m m、 3 0 。 4 ra m。将这 三点 的位移值作 用于桥梁有限元计算分析模型上得到相应结构变 形曲线 ， 如图 3所 示。进一步按照式 ( 3 ) ， 综合考 虑车辆活载的挠度值( 图 4 ) ， 可得到相应的预拱度 设置 曲线 ， 并将其 与抛物线和双 曲线 法设置预拱 度曲线绘制于同一图上进行 比较分析 ， 结果如图 5 所示 。 图 2 桥梁结构计算有 限元模 型 边 掌 堪 墩 墩 、 ： 一 厂soV e 一 f 图3 桥梁长期挠度曲线图 边墩 主曩 w 主 边 蠢 堋 ： 卸 oo - 柏 ?、 ： 图4 汽车活载最大挠度曲线图 w 7 一 T = 【 6 0 - 1 2 0 _ 舯 4 0 8 0 1 2 0 I E 边 主 主 垃 一长期扭曲法 一抛物踌眭 一采弦曲垃法 图5 三种不同设置方法的最终预拱度曲线图 4 结论 与建议 本文对悬臂 施工 预应 力混凝 土连 续梁 桥预 拱度设置的影 响 因素 和设 置方法 进行 了研究分 析 ， 提出一种 以桥梁结构长期变形 曲线 为基础 的 成桥预拱度设置方法 ， 并通过工程算例 与已有 的 成桥预拱度设置方法进行对 比分 析 ， 可得 到基本 结论 如下 ： ( 1 )从线形方面看 ， 本文所提 出基于桥梁 长 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6 期 陈映贞， 等悬臂施工预应力混凝土梁桥成桥预拱度设置方法研究 总第 1 3 5 期 期挠度线型 的成桥预拱度设 置方法 ， 一方 面避免 了二次抛 物线 下 的墩顶 出现尖 点 ， 线形 不平顺 ； 另一方面 ， 用该方法设 置 的预拱度 曲线 有效地避 免 了余弦 曲线 法所 设置 的预拱 度线形 与 主梁结 构线形不一致的问题 ， 有 利于桥梁结构的美观 。 ( 2 ) 另外 ， 基 于桥梁 长期挠度 线型 的成桥 预 拱度设置方法 ， 综合考 虑了收缩徐变计算 的有限 元计算分 析和预 应力 混凝 土梁桥 长期挠 度 的变 形规律 ， 有效地解决 了两不等跨边跨具 体预拱度 的设置问题 。 ( 3 ) 从受力性 能方 面和能量 的角度 上讲 ， 该 方法所设置 的预拱 度 曲线最符 合桥 梁结构 自然 变形状态 ， 成桥 的线 型最符 合实 际 ， 桥 面 曲线也 较 平 滑 。 参考文献 ： 1 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥涵设计规范 J T G D 6 2 2 0 0 4 S 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 4 2 颜东煌 ， 等混凝土桥梁收缩徐变计算的有限元 方法与应用 J 中国公路学报， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 5 5 8 3 牛艳伟 ， 等 大跨径混凝土梁桥的长期挠度实测 分析 J 工程力学， 2 0 1 3， 2 5 ( 1 ) ： 1 1 6一j 1 9 4 张永水 ， 等连续刚构线型控制方法研究 J 中 外 公路 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 6 ) ： 8 3 8 6 5 张桃， 等预应力混凝土连续刚构桥预拱度 的设 置与控制 J 交通科技与经济 ， 2 0 1 2 ， 1 4 ( 6 ) ： 71 0 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 4一l 01 0 ) Re s e a r c h o n Pr e c a mbe r S e t t i n g M e t ho d f o r t h e Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Br i d g e b y Ca n t i l e v e rin g Co ns t r u c t i o n C HE N Y i n g z h e nF A N F e n g L I fie ( G u a n g d o n g H u a l u T r a n s p o r t T e c h n o l o g y C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 4 2 0 ) Ab s t r a c t ：B a s e o n t h e r e s e a r e h o n t h e i n flu e n c e f a c t o r s a n d s e t t i n g me t h o d o f t h e p r e - c a mb e r f o r p r e s t r e s s e d e o n e r e t e b r i d g e s wi t h c a n t i l e v e r i n g c o ns t r u c t i o n，a c c o r d i n g t o t h e f i n i t e e l e me n t mo d e l a n d t h e l o n g t e r m d e f o rm a t i o n s t a t i s t i c a l r e s u l t s o f t he b rid g e，a n e w p r e c a mbe r s e t t i n g me t h o d b a s e d o n t h e l o n g t e r m d e f o r ma t i o n c u r v e i s p r o p o s e d Ta k i n g a n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e a s a n e x a mp l e，i t h a s b e e n c o mp a r e d wi t h o t h e r me t h o d s ，t h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e me t h o d h a s l e a t u r e s o f c l e a r c o n c e p t ， be i ng c o n s i s t e n t wi t h t h e l o n g d e f o r ma t i o n c u rve o f t h e b rid g e，a n d n o t b e i n g r e s t ric t e d b y t h e d i f - f e r e n t b rid g e s t ruc t u r e，S O r e f e r e n c e s c o u l d b e p r o v i d e d for t h e d e s i g n a n d c o n s t ru c t i o n mo n i t o rin g o f b rid g e s Ke y wo r ds ：l a r g e s p a n；P r e s t r e s s e d Co n c r e t e；Brid g e；P r e - c a mb e r T S P隧道施工地质预报暨爆炸震动特性 技术交流会在广州召开 由广东省公路学会 、 瑞士安伯格技术公 司、 昆 明西普瑞格科技有限公司联合主办的“ T S P隧道施 工地质预报暨爆炸震动特性技术交流会” 于 2 0 1 4 年 1 1月 5 6 1 3 在广州召开 ， 来 自全国各地公路 、 铁路的建设 、 设计 、 施工单位及科研 院所 1 0 0余人 参加 了会议 。 T S P ( T u n n e l S e i s m i c P r e d i c t i o n ) 系统是探测隧 道地质灾害 的预警系统 ， 即采用地震 方法对 隧道 地质情况进行探 测预报 ， 由瑞 士安伯格技术公 司 ( A m b e r g T e c h n o l o g i e s A G ) 研发 ， 并具有瑞士 国家 专利( 专利号 6 8 9 1 9 1 ) 技术， 代表了目前国际上隧 道地质超前预报技术的最新水平 。 T S P探测系统是为隧道 ( 洞) 施工地质超前预 报而专门设计 的， 能在隧道施工 、 地下矿藏和洞穴 开挖前提供 帮助 ， 其 目的在 于迅速超 前地提供在 开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。采 用 T S P系统能够提供工作 面前方岩层 、 岩溶 、 断层 或破碎带变化的空间信息 ， 确定含水层 的位置 ， 提 供工作面前方岩层的力学参数。 在学术交 流中， 系统研发 人员介绍 了 T S P技 术新一代产品的技术特点和研发方向； 科研设计 人员介绍 了针对 T S P系统开展 的一 系列研究 和试 验情况 ； 施工单位代表介绍了 T S P技术在 隧道施 工中的实际应用情况。学术交流对隧道施工地质 预报 的技术进步 ， 推动广东公路( 铁路 ) 隧道工程 建设 向更科学 、 更安全 、 更高效 的方 向发展具有积 极意义。 ( 本刊编辑部) 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m