高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥位移分析.pdf

第 3 6卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 5 高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥位移分析 郭 凡 ， 杨永清， 贾舒阳 ( 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 在介绍高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥结构特点的基础上， 分析主梁 自重、 预应力、 混凝土徐变以及平曲线等 对结构应力和变形的影响。结合某工程实例， 建立有限元模型计算分析高墩曲线刚构桥的受力和位移规律， 研究此类桥梁在 施工阶段和成桥阶段的空间结构行为， 为高墩大跨 曲线刚构的设计与施工提供参考。 关键词： 预应力混凝土； 高墩； 大跨； 曲线连续刚构； 弯扭作用 中图分类号： 3 3 5 3 7 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0) 0 1 0 1 50 3 Di s p l a c e me n t a n a l y s i s o f c u r v e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e r i g i d f r a me b r i d g e - 1 Wi Ul l o ng- s pa n a nn m g n pi e r s GUO F a n， Y ANG Yo n g q i n g ， J I A S h u y a n g ( S c h o o l o f C M1 E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n i n t r o d u c i n g t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e ri s t i c s o f c u r v e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e ri g i d f r a me b ri d g e wi t h l o n g s p a n a n d h i s h p i e rs， a n aly s i s t h e e ff e c t o n s t r e s s a nd d i s p l a c e me n t wh i c h a r e c a u s e d b y b e a m d e a d w e i g h t ，p r e s t res s ， s h rin k a g e a n d c ree p o f t h e c o n c r e t e ， a n d h o ri z o n t al c u r v e C o m b i n i n g 山 a n e n gi n e e ri n g p r o j e c t ， b u i l d a fi n i t e e l e m e n t m ode l t o anal y s i s t h e reg u l a r i t y o f s t r e s s an d d i s p l a c e me n t ， t h e n t h e s t r u c t u r a l s p a t i al b e h a vio rs o f t h i s t y p e b ri d g e w e r e i n v e s t i g a t e d T h e s t u d y ma y p r o v i d e s o me s u g g e s t i o n s f o r d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f c u r v e d f r a me b ri d g e t o a c e r t a i n e x t e n t Ke y w o r d s ： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e ； h i g h p i e r ； l o n g - s p a n ； c u r v e d c o n t i n u o u s ri gid f r am e b ri d g e ； t o r s i o n a l a c t i o n 1 研究背景 与直线刚构相 比， 曲线连续刚构 由于弯扭耦合 的作用 ， 合拢预应力引起的次内力会使结构产生扭 转变形 ， 使得墩梁发生径向偏移 。施工过程中， 曲线 连续刚构也将产生偏向曲线内侧的径向偏位， 并且 曲率越小、 墩身越高， 径向偏位越大， 其原因主要在 于墩顶部位分配了主梁 的部分扭 矩 ， 产生 向平 曲线 内侧的横向弯曲， 并带动 了主梁的径向偏位 ， 这些特 点使弯桥的设计 和施工更为复杂。因此 ， 需要控制 曲线连续刚构的横桥 向变形 。 2弯扭耦 合作用 曲线梁桥 的力学特性 主要体 现在 “ 弯扭耦合 ” 上 ， 由曲线梁微分方程( 符拉索夫微分方程) ： 一 +E l o , q Iv- ” + ( 1 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 6 - 0 5 作者简介： 郭凡( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 山东 日照人， 博士研究生( 硕博连 读 ) ， 研究方向为大跨度预应 力混 凝土桥 梁结构 行为 和现代 桥式 及 桥梁结构设计理论。 E ma i l ： g u o f a n wn 1 6 3 C O lr l c + 等 一 ” + ” ： q + ( 2 ) q y + L z ( V + + ) = 警一 鼍 一 一 m x ( 3 ) 可以看 出， 式 ( 3 ) 中只包含一个位移量 ( 横 向位 移) ( ) 可以独立求解， 而式( 1 ) 和式( 2 ) 中包含有 竖向位移 W( z ) 和扭转角 ( ) 两个位 移量 ， 因而必 须联立才能求解 ， 这就是弯梁桥计算 中的弯扭耦合 效应 ， 即在外荷载作用 下 ， 梁截面内产生弯矩的同时 必然伴随产生耦合扭矩 ， 同理 ， 在产生扭矩 的同时 ， 也必然产生耦合弯矩。 3工程实例计算分析 某特大桥为 8 5+ 21 5 0+ 8 5 m 预应力混凝土 4跨连续刚构 ( 图 1 ) ， 桥面宽度 2 5 0 i n 。主梁采用 单箱单室截面， 三向预应力体系； 3 个主墩为复合式 桥墩， 最低墩高7 4 4 m， 最大墩高 1 0 5 m， 墩顶 7 5 m 范围为双柱式薄壁墩身， 双薄壁 墩中间设一道横向 联系梁 ， 双薄壁墩下采用 3 0 m的混凝土刚性薄壁箱 1 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 墩 ， 增加桥梁的稳定性。主桥上部构造及现浇桥面 板采用 C 5 0混凝土 ， 桥墩采用 C A0混凝土 ， 预应力 钢筋采 用 A S T MA 4 1 6 9 7 2 7 0级 钢绞线。设计 荷载 等级汽车一 超 2 O级， 挂车 1 2 0级。大桥水平轴线平 面处于直线 、 缓和 曲线 和圆曲线上 ， 其 中直线段长 1 0 6 m， 缓和曲线段 1 4 4 m， 其余为圆曲线段， 水平桥 梁线型最大偏移 6 5 m。1 墩处于直线段上 ， 2 墩处 于缓和曲线段上 ， 其余墩处于圆曲线段上 ， 圆曲线半 径 R= 9 0 0 m。 图 1 大桥主跨布置 Fi g 1 Ar r ang e me nt pl a n of t he ma i n s pa n 在本桥分析研究中， 建立空间有限元模型 ， 以了 解其空 间位移。模型主要分主梁、 桥墩、 预应力钢束 三部分 ， 其中主梁和桥墩采用空间梁单元 ， 主梁共分 1 5 4个单元 ， 1 5 5个节点 ； 桥墩分 8 2个单元 ， 8 2个节 点； 预应力钢束 2 8 2束。墩梁之间采用刚性连接 ， 下 部基础 自由度完 全约束。模 型材料按照设计要求 ， 主梁混凝 土弹 性 模量 为 3 4 51 0 M P a ， 泊松 比 0 1 6 7 ， 桥墩 、 基 础混 凝 土 弹性 模 量 为 3 2 51 0 MP a ， 材料强度随时间的发展按 照 C E B F I P标准取 得 ， 材料收缩、 徐变特性按照 J r I G D 6 22 0 0 4桥梁规 范的方法和公式计算取得 。 施工阶段模型分析按照实际施工， 0 块在桥墩 上采用托架施工， 其余 l 8个悬臂梁块采用挂篮悬臂 浇筑施工 。主梁合拢顺序为先边跨后 中跨 ， 中跨合 拢后加载二期恒载 。施工 阶段分阶段依次计人浇筑 梁段湿重、 挂篮自重、 张拉预应力、 挂篮移动、 浇筑梁 段参与受力 ， 在合拢后考虑桥面二期恒载的影响。 3 1 计算值 高墩大跨连续刚构桥 ， 受力 比较复杂。特别是 在悬臂施工时 ， 墩梁 固结为 T形静定结构体系 ， 而 当桥梁施工至边跨及 中跨合拢时 ， 结构将从静定体 系转换为超静定体系。体系转换后， 结构受约束而 发生内力重分布。连续刚构桥主梁结构受力行为主 要从主梁弯矩 、 主梁位移及 主梁截面应力三方面来 分析。由于成桥前后结构受力体系的不 同， 研究主 梁的力学行为时 ， 选取刚构桥 主梁施工的最大悬臂 状态、 桥梁合拢施加二期恒载后两个阶段做对 比分 析。 最大悬臂状态、 桥梁合拢施加二期恒载后考虑 预应力 、 收缩徐变等影响因素的主梁 位移 曲线如图 2 5所示 。 白水冲特大桥最大悬臂阶段主粱竖向位移 曲线 0 5 0 1 00 1 5 0 2 00 25 0 3 0 0 3 50 4 0 0 4 5 0 5 0 0 主粱跨度 m 图 2 最大悬 臂阶段主梁竖向位移 F i g 2 Tl l e v e r t i c a l d e fl e c ti o n o f main g i r d e r i n e x t r e me c ant i l e v e r s t ag e 白水冲特大桥最大悬臂阶段主梁横向位移曲线 O 50 1 O 0 1 5 0 2 0 0 25 0 3 00 3 5 0 40 0 45 0 5 0 0 主梁跨度 m 图 3 最大悬臂阶段主梁横向位移 Fi g 3 The t r a n s ve r s e di s pl ac e me nt of main gi r de r i n e x t r e me c an t i l e v e r s t ag e 白水冲特大桥二期恒载施加后主梁竖向位移曲线 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 25 0 3 00 3 5 0 40 0 45 0 5 0 0 主 粱跨 度 m 图 4 二期恒载施加后主梁竖 向位移 Fi g 4 The ve r t i c al de fle c t i o n o f main g i r de r a f t e r s e c o nda r y d e ad l o ad a ppHe d 白水冲特大桥二期恒载施加后主粱横向位移曲线 O 5 0 1 0 0 1 5 0 2 00 2 5 0 3 0 0 35 0 4 00 4 50 5 00 主粱跨度 m 图 5 二期恒载 施加后主梁横 向位 移 Fi g 5 Th e t r ans v e r s e d i s pl a c e me n t o f main g i r d er a f t e r s e c o ndary de a dl oa d a ppHe d ， 。 。 ， L 郭凡， 等 ： 高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥位移分析 1 7 3 2位移 分析 主梁在各种荷载作用下的位移可以直观反映主 梁的受力情况 ， 且位移随桥梁结构体系变化而变化。 由最大悬臂状态主梁竖 向位移 曲线可 以看出 ， 主梁 自重、 预应力对竖 向位移影响较大 ， 该 阶段徐变对竖 向位移影响较小。 自重和预应力对竖 向位移影响效 应相反， 两者使得主梁竖向位移处于较小状态。计 算可知， 最大悬臂阶段主梁竖向位移值出现距离主 墩 中心 5 8 i n处 ， 竖 向位移 为 2 7 c m。由于本桥两 端悬臂位于曲线上 ， 导致整个主梁重心位于桥梁曲 线以外 ， 使桥梁发生 明显 的横向位移 。由图可以看 出， 主梁 自重是产生横向位移 的主要因素 ， 其次是预 应力作用产生的横 向位移 ， 混凝土徐变的影 响相对 较小 ， 主梁横 向位移在 中墩处最大 ， 达到 4 c m。主 梁位移随施工的进行而逐步发展 ， 在 中跨合拢并施 加二期恒载后 ， 主梁最大竖向位移发生距离主墩 6 1 m处 ， 竖 向位移 4 6 e m； 最大横 向位移位 于 中墩节 点处 ， 横 向最大位移 4 6 c m。本桥预应力钢束随着 主梁单元为曲线 ， 所 以预应力对 主梁横 向位移有较 大影响， 在第4跨 1 4 跨附近， 有效预应力引起的横 向位移达到最大值 1 5 e m。 4 结论 通过以上两个施工阶段的主梁横竖 向位移分析 看出： ( 1 ) 主梁位移主要受 自重 、 预应力及 收缩 徐变 影响。其中， 预应力的影响较大 ， 徐变影响随结构建 造时间而逐步发展。 ( 2 ) 曲线桥 的显著特点就是弯扭耦合 ， 在 自重 工况下 ， 就会产生横向弯矩， 因此， 曲线连续刚构桥 尚须考虑横向变形 。从 图的对 比中可 以看 出， 曲线 连续刚构主墩附近产生偏向曲线内侧的横向位移最 大值接近竖向挠度最大值， 表明其对施工 中桥梁线 形具有很大影响， 曲线刚构悬臂施工过程中线形控 制 比一般的直线刚构桥更重要也更复杂 ， 对悬臂施 工阶段的曲线刚构桥进行空间变形研究是非常必要 的 。 ( 3 ) 高墩曲线连续刚构桥 的桥墩变形是影响横 向位移的主要 因素 ， 因此要控制主梁的空间位置 ， 就 应从桥墩施工过程开始监控 。预先设置桥墩的预偏 量 ， 并在桥墩的施工过程 中， 根据各种实测参数对下 一 段的预偏值予以修正 。这样 ， 桥墩在梁体施工 的 过程中不断恢复， 最终在成桥后接近垂直 ， 梁体平面 线型满足要求。 参 考 文 献 ： 1 祝敏方 山区高速公路桥梁设计探讨 J 公路， 2 0 0 3 2 姚玲森 曲线粱 f M 北京 ： 人民交通出版社 1 9 8 9 3 4 5 6 7 8 贾廷跃 曲线箱梁的剪力滞效应分析 J 山西建筑， 2 0 0 7 吕昌武 高墩大跨曲线连续刚构空间受力分析与施工控制 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 6 王磊 高墩大跨连续刚构直弯对比研究 D 北京： 北京工 业大学 ， 2 0 0 4 高宝 大跨 高墩曲线 连续 刚构性能分 析与施工控 制 D 上 海 ： 同济大学 ， 2 0 0 4 季国富 大跨度混凝土连续刚构桥若干问题的研究 D 重 庆 ： 重庆交通学 院， 2 0 0 1 项海帆 高等桥梁结构理论 M 北京： 人 民交通出版社， 2 O O 1 本刊启事 本刊 已入编“ 万方数据数字化期刊群” 、 中国学术期刊 ( 光盘版 ) ， 被 中国核心期刊 ( 遴 选) 数据库、 中国学术期刊综合评价数据库等收录。其报酬( 包括印刷版、 光盘版和网络版各种使 用方式的报酬) 已纳入我刊应付给作者的稿 酬中。凡 不 同意载入光盘版和相 关数据库的 ， 请 另投 他 刊 。 四川建筑科学研究 编辑部