大跨径连续刚构桥长期下挠的施工影响因素参数化分析

林兆新

(宁德沈海复线双福高速公路有限责任公司，宁德 352000)

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥因其跨越能力强、 施工便利、行车舒适等优点，近年来在我国公路建设中得到了广泛的应用， 已成为180～300m 跨径桥梁中最具竞争力的结构形式[1]。 但是，大跨径的预应力混凝土连续刚构桥在运营过程中普遍出现了跨中过量下挠的问题， 影响了结构的寿命和行车舒适性，甚至危及了结构安全[2]。

大跨径连续刚构桥的长期下挠问题受到多方面因素的影响。 在目前的相关研究中，杨晋文[3]分别研究了混凝土收缩徐变作用对高速公路与高速铁路连续刚构桥挠度的影响，发现收缩徐变作用在成桥后3～10 年间对连续刚构桥挠度的影响非常大；朱鹏飞等[4]分别对大跨径连续刚构桥在预应力损失、 混凝土收缩徐变及主梁开裂导致结构刚度降低三种因素影响下的挠度进行了分析， 结果表明刚度损失对连续刚构桥的跨中下挠是影响最大的；颜东煌等[5]就混凝土徐变、预应力损失、主梁开裂、主梁超重等因素对大跨径连续刚构桥跨中下挠的影响进行了详细分析，并提出了对应的预防措施。

本文在现有研究基础上， 以沈海复线福鼎贯岭至柘荣段高速公路桐山溪特大桥为例，利用有限元方法计算，探讨了混凝土超方、预应力损失、合龙顺序、合龙误差等施工过程中的因素对大跨径连续刚构桥长期下挠的影响。

1 工程概况

沈海复线福鼎贯岭至柘荣段高速公路桐山溪特大桥为(104+200+104)m 的预应力混凝土变截面连续刚构桥，主梁左右幅分离布置，单幅采用单箱单室截面，设计为三向预应力体系，主要采用挂篮悬浇施工，先边跨合龙，再中跨合龙。

图1 桥位布置图(单位：m)

桐山溪特大桥主桥单幅箱梁标准断面如图2 所示，箱梁顶宽12m，底宽7m，高度由距主墩中心5.5m 处向跨中方向94.5m 段按1.5 次抛物线变化， 跨中处箱梁高度为4.57m， 支点处箱梁高度为12.57m。 箱梁根部底板厚119.5cm，跨中底板厚32cm，底板厚度按直线变化；根部腹板厚90cm，跨中腹板厚50cm，腹板厚度在变化段按直线渐变，由90cm 变至70cm，再变至50cm；顶板厚30cm，设2%的横坡。

采用有限元计算软件桥梁博士建立了桐山溪特大桥整体计算模型，兼顾结构的构造特点、施工工序与计算精度， 将整个上部结构划分为126 个单元、127 个节点，计算模型如图3 所示。

图2 主梁标准断面图(单位：cm)

图3 计算模型示意图

为便于观察结构跨中长期下挠的变化趋势， 本文以各情况下的成桥时跨中挠度为基准， 以不同成桥时间后的跨中挠度与成桥时跨中挠度的差值作为 “跨中挠度增量”，对计算结果进行说明。

2 混凝土超方的影响

自重是影响桥梁结构长期变形的主要荷载。 当桥梁结构的实际自重大于设计值时，自重弯矩增大，使得原有的预应力配置不足，直接增大结构下挠，从而进一步引起结构长期下挠的增加。从工程实践来看，采用现场浇筑施工的大跨径预应力混凝土梁桥结构自重的偏差不容忽视。一般来说，引起混凝土桥梁结构自重偏差的原因主要有两个： 混凝土材料由于配合比出现误差而造成的实际容重偏差， 以及混凝土现场浇筑过程中出现胀模现象而导致的混凝土超方。其中，超方引起的结构自重偏差往往较为显著一些。

根据工程实践经验， 混凝土在浇筑过程中由于胀模等原因引起的超方普遍会导致结构自重增加2%～3%左右。 由于小范围内出现局部超方的情况对全桥变形的影响相对较小， 本文针对全桥范围内出现超方的情况进行研究， 分别考虑混凝土浇筑过程中不超方及胀模超方1%、2%、3%、4%、5%对跨中长期下挠的影响， 结果如图4、图5 所示。

图4 混凝土超方对跨中长期挠度的影响

图5 混凝土超方与跨中挠度长期增长的比例关系

可以看出，随着混凝土超方比例的增加，大跨径连续刚构桥跨中长期挠度增量也不断增加。 在只考虑混凝土超方引起的结构自重增加影响下， 由于结构体系特性没有变化，跨中挠度增量随着超方比例的增加而逐渐增加。超方比例达到5%时， 成桥30 年的跨中挠度增量增加了5mm 左右。

另一方面， 图5 表明不同成桥时间后的跨中挠度增长比例与混凝土超方比例基本保持线性关系。 这是由于随着成桥时间的推移，混凝土凝结程度不断提高，结构的刚度不断趋向于设计刚度， 导致不同成桥时期跨中挠度对超方的敏感性不同，具体表现为成桥时间越久，下挠随超方比例增加而增长的速率越慢。

3 预应力损失的影响

预应力混凝土连续刚构桥设计中考虑了预应力作用与恒载、活载相互平衡。 当预应力损失过大时，预应力效应也将与恒载、活载产生的效应不匹配，进而影响跨中挠度。 根据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[6]中的相关规定，计算得到了桐山溪特大桥的理论预应力损失， 并在此基础上分别将预应力损失增大了5%、10%、15%、20%、25%及30%， 得到了预应力损失对跨中长期挠度增量的影响，结果如图6 所示。

图6 预应力损失对跨中长期挠度的影响

可以看出，随着预应力损失的增加，跨中长期挠度的增量也随之增加。 当预应力损失增加10%时，成桥30 年的跨中挠度增量比理论状态增加了约14mm； 当预应力损失增加30%时，成桥30 年的跨中挠度增量比理论状态增加了约40mm。 预应力损失对跨中长期挠度的影响非常明显。

4 合龙顺序的影响

采用平衡悬臂浇筑法施工的大跨径连续刚构桥最终将由两个大悬臂合龙成桥，合龙可采用“先中跨后边跨”和“先边跨后中跨”两种工序进行。 合龙顺序是连续刚构桥施工过程中的关键问题。首先，合龙改变了合龙段所在跨的静定性质及浇筑梁段的收缩徐变进程， 随着超静定次数和收缩徐变的变化， 桥梁将产生与施工工序关联较大的内力重分布， 影响成桥结构的位移和内力状态；其次，合龙顺序是施工控制的敏感因素，每批合龙的内容不同，施工的难易程度就有所不同，对施工误差的累积有一定影响。 桐山溪特大桥为(104+200+104)m 三跨连续刚构桥，原设计采用“先边跨后中跨”的合龙顺序。为了研究不同合龙顺序对成桥后跨中长期挠度的影响， 分别对两种合龙顺序进行分析，结果如图7 所示。

图7 合龙顺序对跨中长期挠度的影响

可以看出，采用“先中跨后边跨”合龙顺序时的结构跨中长期挠度增量较大。成桥30 年时，采用“先中跨后边跨”合龙顺序比采用“先边跨后中跨”合龙顺序的跨中挠度增量增加了约1.5mm。

5 合龙误差的影响

对于悬臂浇筑施工的大跨预应力混凝土连续刚构桥来说，如果悬臂浇筑过程中施工线形控制良好，最终合龙时合龙段两侧应基本处于一平顺的线形上， 按照正常施工工序合龙即可。 但是，如果合龙段两侧高差较大，则必须采取一定措施强制合龙， 这种情况会对结构的整体受力产生一定程度的影响。以桐山溪特大桥为例，假设合龙时合龙段两侧高程误差分别为5.5cm 和11cm，通过施加强制力(悬臂端部压重)使两端主梁水平进行合龙，在合龙成桥后解除强制力，计算得到了结构跨中的长期挠度，并与合龙时合龙段两侧高程无误差的情况相比较， 结果如图8 所示。

图8 合龙误差对跨中长期挠度的影响

可以看出， 考虑合龙误差后跨中挠度的长期增量反而有所减小。产生这一现象的原因在于，强制合龙过程中在悬臂端部施加了压重， 强制合龙完成后去除压重相当于在跨中施加了一个向上的力， 因此长期挠度不会比正常合龙更大。但是，强制合龙会造成两个悬臂的线形不平顺， 在进行桥面铺装时需要额外调平， 尤其是在跨中部分，而过厚的桥面铺装导致结构自重的增加，从而对跨中长期下挠造成不利影响。

6 结论

以主跨200m 的桐山溪特大桥为例， 分析了大跨径预应力混凝土连续刚构桥在施工过程中的混凝土超方、预应力损失、 合龙顺序及合龙误差等因素对结构跨中长期下挠的影响，得到了以下主要结论：

(1)随着混凝土超方比例的增加，大跨径连续刚构桥跨中长期挠度增量也不断增加； 不同成桥时期跨中挠度对超方的敏感性不同，成桥时间越久，下挠随超方比例增加而增长的速率越慢。

(2)随着预应力损失的增加，跨中长期挠度的增量也随之增加， 且预应力损失对跨中长期挠度的影响非常明显。

(3)对于采用平衡悬臂浇筑方法施工的大跨径预应力混凝土连续刚构桥来说，采用“先中跨后边跨”合龙顺序时的结构跨中长期挠度增量较大。

(4)考虑合龙高程误差而进行强制合龙后，跨中挠度的长期增量反而较无高程误差合龙时有所减小， 但强制合龙会造成两个悬臂的线形不平顺， 若采用额外的铺装调平则会导致结构自重的增加， 对跨中长期挠度产生不利影响。