曲线连续刚构桥梁施工过程分析

钱 立

（中国市政工程西南设计研究总院，四川成都 610081）

摘  要：文章利用空间有限元分析了曲线连续刚构桥在施工过程中的内力和变形，对平面曲线上修建连续刚构桥和连续梁桥提供了若干建议，供实际设计中参考。

关键词：平面曲线；连续刚构桥；内力；变形

中图分类号： U44      文献标识码：A

   1 简介

       本文就曲线连续刚构（梁）桥的空间受力情况及其主要的影响因数进行了分析，并提出了一些具体的设计建议。

       在计算分析中，本文以跨径为45m+75m+45m的曲线连续刚构桥为模型，结构基本数据如下：箱梁顶板宽12m，悬臂2m。顶板厚度25cm；顶板厚度30-60cm，按直线变化；腹板厚度50cm。箱梁高度从根部处的4.2m变化到跨中的1.8m,底板高度按R=195.002m的圆曲线变化。为简化起见,在建模中未考虑梗掖部分的影响，截面形式见图1。

图1 主梁截面示意图/cm

       建模采用四节点壳单元。单元可以承受平面荷载和法向荷载,每个单元有4个节点,每个节点具有6个自由度，单元可以定义为变厚度。为了得到较好的分析结果,在进行单元划分时,尽量使单元尺寸较接近,全桥主梁截面共划分为900个单元。

 建模分析时，桥梁曲率半径分别按200m、300m、400m、500m分析比较。同时墩高分别按为55m、27.5m和不考虑墩高的影响进行比较。

 为了便于对结果进行比较,本文选取了箱梁根部截面作为应力计算截面，施工过程的最大悬臂端部截面作为位移计算截面。

2 影响挠度的主要因素

（1）曲率的影响

曲线连续刚构桥在悬臂施工时，由于弯扭耦合效应，截面将发生扭转变形，过大的扭转角造成箱梁截面内、外缘的挠度差值较大，不容忽视。施工分析中取墩最大悬臂的情况。图2到图3所示为最大悬臂状态及二期恒载阶段曲率半径对梁体变形的影响（墩高为55m ）

从图2中可以看出，在恒载作用下，曲线桥最大悬臂状态的挠度比同跨径直线桥大，箱梁向内侧扭转。当曲率半径减小时，箱梁的扭转角增大，截面内外缘的挠度差值明显加大。当曲率半径为500m时，截面内外侧的挠度差为0.21cm；曲率半径为200m时,挠度差为0.52cm

图3 二期恒载作用下最大悬臂处底板截面位移

表1列出了各种半径的曲线连续刚构桥在边跨合拢阶段、中跨合拢阶段相应截面产生的挠度，这些阶段的挠度均远小于悬臂状态产生的挠度，曲线桥内外侧挠度差较小。

表1 边跨和中跨合拢阶段最大悬臂处底板截面位移/mm

在边跨合拢阶段自重作用下，中跨最大悬臂处截面产生向上位移，箱梁梁体在中跨仍然向内扭转；梁体在边跨向外扭转。在中跨合拢时，箱梁梁体发生向外弧侧的扭转，但截面内外缘的挠度差较小。由图3所示，在二期恒载作用下，曲线桥向外扭转，与悬臂施工时相反，但扭转角很小。

综上所述，悬臂施工的曲线连续刚构桥（梁）桥，在其自重作用下的变形主要发生在悬臂施工阶段，边跨合拢阶段、中跨合拢阶段和二期恒载作用下变形比较小，且其内外弧侧挠度差也比较小。另外，在合拢之前，箱梁存在向内弧侧扭转的变形，而一旦合拢后及二期恒载作用下则发生向外弧侧扭转，是有利于减小箱梁扭转变形的。

（2）墩高的影响

在连续刚构桥中桥墩一般采用双薄壁柔性墩的形式。双薄壁墩虽然减小了墩在顺桥向的刚度，但同时也相应减小了横桥向的刚度。对于直线桥，施工过程中箱梁没有扭矩产生，桥墩横桥向刚度的减小对主梁变形影响较小。但曲线桥梁在自重作用下将发生扭转。从而使桥墩产生横桥向的弯曲。所以，桥墩横桥向刚度的减小将会加大梁体的扭转变形。

表2列出了曲率半径为200m、300m、400m和500m时，上述5种情况箱梁内外弧的挠度差。由表2可见，一方面，随曲率半径的增大，变形值变小，另一方面当桥墩的刚度增大时，箱梁内外弧的挠度差也可以得到改善，当采用变截面后提高了桥墩的横向刚度，梁体内外侧的挠度差减小，梁体的扭转程度得到控制。

表2 不同桥墩情况下最大悬臂截面变形值/cm

3 施工过程截面应力的变化情况

在施工过程中，悬臂根部截面为最不利受力截面，所以选择悬臂根部截面进行比较。

表3列出了最大悬臂状态时，悬臂根部处截面顶板的正应力变化。边跨合拢段和中跨合拢段对墩顶截面产生的应力值很小，本文中未列出。为寻求规律，以R=200m、R=300m、R=400m、R=500m和直线桥情况建立计算模型，墩高为55m。从表3可知，悬臂根部截面顶板承受负弯矩和扭矩，顶板截面正应力为拉应力，其内弧一侧的拉应力在悬臂根部截面大于外弧一侧的应力值。随着向悬臂端部延伸，截面的扭矩逐渐减小。截面内外弧的应力差值也随之减小。同时随着曲率半径的减小，截面顶板正应力的不均匀程度逐渐加大。在悬臂根部处正应力差值由0.62MPa增大到1.55MPa。这表明了随着曲率半径的减小，曲线桥的弯扭耦合效应增大。

表3 最大悬臂状态时根部截面顶板正应力值/MPa

从表4可知，在自重作用下，悬臂根部截面底板正应力为压应力。与顶板正应力同样是内弧侧的正应力大于外弧侧的应力值。同样随着曲率半径的减小，截面底板正应力的不均匀程度也逐渐加大。在悬臂根部处正应力差值由1.58MPa增大到3.95MPa。其不均匀程度较顶板更为严重。曲线桥的弯扭耦合效应对底板应力的影响更大。

表4 最大悬臂状态时根部截面底板正应力值/MPa

在二期恒载作用下，根部截面的应力分布比较均匀与直线桥相差微小。主要是应为二期恒载较主梁自重小，且成桥后，主梁的抗扭刚度已经增大。

结语

曲线连续刚构桥在施工过程中的变形控制是关键，悬臂阶段梁体变形占了梁体自重变形的绝大部分。二期恒载作用下，梁体的变形比较小，且与直线桥相差不大。由于施工过程中梁体的变形既有挠度又有扭转，且具有不可恢复性，所以控制施工过程中的变形，特别是悬臂施工阶段的变形，对确保成桥线性至关重要。在设计和施工，需要考虑设置挠度和扭转角预拱度。成桥后，梁体的抗扭刚度较悬臂施工阶段大，曲率对桥梁结构的影响不如悬臂阶段明显。

从前面的分析中可以看出影响梁体的扭转变形的主要因数是曲率半径的大小和墩的横向刚度。曲线连续刚构桥在合拢的过程中扭转将导致在合拢时梁体空间位置的偏差，若在施工过程中对多个悬臂T构的扭转预测不够，将难以保证梁体在容许误差范围内合拢，不但增加了施工的难度，而且将影响成桥线性。

与一般的曲线梁桥不同，悬臂施工过程中的曲梁梁体在自重作用下呈向内侧扭转，而合拢以后则变成向外侧扭转，所以在合拢时需要预留一定的向内侧扭转的变形，以抵消合拢在二期恒载作用下的梁体向外侧的扭转变形。

考虑到墩横向刚度对曲线桥扭转变形的影响，在设计时应考虑采用较小的墩高，或在构造上加大桥墩的横向刚度，如采用变截面，以保证在横向刚度增加的同时，不过大影响纵向刚度的措施，也是一种可行的办法。