大跨刚构桥结构刚度对主梁下挠的影响分析

朱 宇 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概况

连续刚构桥采用墩梁固结的结构形式，墩与梁形成一个整体共同受力，荷载按照一定的比例在墩梁之间进行分配，因此结构体系将导致不同的受力性能，同时也将影响结构的长期变形。具体来说，大跨度连续刚构桥梁跨中长期下挠与桥梁的结构形式和刚度存在一定的关系，跨径越大恒载所占比例越大；桥墩越高结构柔度也越大，施工中越容易产生偏差；结构的刚度是决定结构受力分配的根本。因此跨径、桥墩和刚度都会影响结构的内力分布，进而影响到跨中下挠量。

在桥梁施工以及成桥运营过程中，由于种种原因，桥梁结构的刚度会相对设计状态有所降低。桥梁刚度折减从原因上来看，包括以下几个原因：①在悬臂挂篮浇筑过程中，由于施工时的材料因素、养护因素等，不可避免地导致箱梁几何特性上的误差，使得桥梁成桥时的结构刚度就比设计情况要低；②在桥梁服役期间，桥梁使用环境相对比较恶劣，由于使用中环境因素等，桥梁结构出现一定的磨损甚至开裂，难免出现刚度折减的情况。这些都将导致刚构桥跨中下挠的发展和恶化。

2 研究过程

2.1 总体思路

为了综合研究上述因素作用下连续刚构箱梁长期下挠的问题，本文采用简化的算法，通过调整混凝土弹性模量，来模拟箱梁刚度的变化，分别分析桥梁结构整体刚度折减和局部刚度折减对桥梁长期下挠的影响。

2.2 弹性模量的影响

混凝土弹性模量的变化会直接影响连续刚构桥主梁和桥墩的刚度，从而影响到主梁的变形。以主跨180m 和主跨150m 刚构桥为例，分别考虑在混凝土弹性模量为35.5MPa （C55） 的60% 、80%、100%、120%、140%五种情况下，计算分析跨中长期下挠的变化情况。

图1 180m 刚构桥弹模变化与下挠关系

图2 150m 刚构桥弹模变化与下挠关系

以上对比分析可知，弹性模量的变化对连续刚构桥的跨中下挠影响并不大，只是随着成桥时间的推移，弹性模量的增大对桥梁跨中下挠现象的减轻效果会变好。弹性模量对跨中下挠的影响趋势并不会随着跨径的变化而变化。

2.3 结构整体刚度变化的影响

连续刚构桥主梁和桥墩的刚度的整体刚度变化直接影响到主梁的变形，从而对结构长期下挠产生影响。以主跨180m 和主跨150m 刚构桥为例，考虑在年平均相对湿度70%的情况下，桥梁整体刚度不折减、折减10%、20%、30%、40%时，五种情况下计算分析跨中长期下挠的变化情况。

图3 180m 刚构桥弹模变化与下挠关系

对于180m 刚构桥，在成桥相同时间的情况下，整体刚度损失越大，下挠的量就越大，成桥30 年时，整体刚度折减40%的情况下和整体刚度不折减时相比，最大下挠量增加了34.2%，最大上拱量边跨的上翘增加了49.4%。随着成桥年限的增长，同一刚度损失条件下，桥梁的下挠量是不断增加的，但是增加速度呈减缓趋势，符合长期下挠位移的变化趋势。

图4 150m 刚构桥弹模变化与下挠关系

对于150m 刚构桥，基本趋势和180m 刚构桥类似。

在同样的整体刚度折减以及成桥时间的情况下，桥梁中跨下挠量随着跨径增大而增大，而边跨上拱值却随跨径增大而减小。主要原因在于随着跨径的增大，大跨度连续刚构桥的自重效应更加明显，桥梁整体（中跨和边跨）均有下挠的趋势，从而导致中跨跨中向下位移值增大而边跨上拱值减小。

同时，随着跨径的增大，整体刚度损失对于变形增加的影响更为严重，出现同样整体刚度损失时，跨径大的桥梁变形增加越大，增加速度也越快。

通过以上对比分析，可知在不同的桥梁整体刚度折减条件下，桥梁整体刚度变化对于桥梁长期下挠有一定的影响，但是影响幅度并不是很大，整体刚度折减40%时，对于主跨150m 的连续刚构桥长期下挠也就增加26%。而实际工程中几乎不可能出现这么大的整体刚度折减。此外，对于大跨径的刚构桥，要比跨径较小的刚构桥更加关注整体刚度损失的问题，这在后期成桥后的桥梁管养工作中应该引起注意。

2.4 结构局部刚度变化的影响

桥梁结构在运营期间的刚度损失，一般不可能是桥梁整体刚度同时损失，在行车荷载、外界环境等因素的影响下，有可能某些敏感部位出现较为明显的刚度损失，而其他部位刚度损失较小。根据实际情况，将主梁进行划分，结构局部分别选取主跨跨中梁段、1/4 处梁段、墩顶梁段、边跨支座附近梁段四种具有代表性的情况分别进行分析。

图5 跨中梁段刚度折减与下挠关系

随着主跨跨中梁段刚度折减比例的增加，主跨最大下挠度有所减少，边跨最大上拱度有所增加。也就是说，桥梁主跨跨中刚度折减对于桥梁跨中下挠有减缓的作用，对边跨上拱有加剧的作用。

图6 1/4 处梁段刚度折减与下挠关系

1/4 处梁段刚度折减比例与最大下挠值、最大上拱值之间呈非线性关系，但不是很明显。随着1/4 处梁段刚度折减比例的增加，最大上拱值增加变快。

图7 墩顶梁段刚度折减与下挠关系

墩顶梁段刚度折减对桥梁整体变形影响并不很大，对桥梁边跨上拱的影响较大。边跨上拱除了一部分是由于刚度折减本身造成的，还有一部分是由于中跨下挠增量引起的边跨额外上挠。

图8 边跨支座梁段刚度折减与下挠关系

支座附近梁段刚度折减对桥梁整体变形影响较小，其中对桥梁边跨上拱有较大影响。这是由于支座附近梁段刚度折减直接影响边跨的变形，而对中跨变形的影响在传递过程中减弱。

3 结语

桥梁整体刚度下降将导致跨中下挠加剧，跨径越大，这种加剧效应越明显。而不同部位的梁段刚度折减对于桥梁的变形情况有不同的影响。当局部刚度折减发生在主跨跨中梁段、墩顶梁段以及支座附近梁段时，对于桥梁结构长期下挠的影响要普遍小于整体刚度损失，以及1/4 处梁段刚度损失造成的影响。这是由于墩顶梁段和支座附近梁段区域以自重负弯矩效应控制，刚度的减小对主跨跨中的下挠的影响程度要远小于自重正弯矩控制区域。

当刚度折减仅仅发生在1/4 处梁段上时，主跨跨中下挠值增长比例和增长值都是最大的，甚至比桥梁结构整体刚度折减时的下挠还要严重。在桥梁施工中，应该着重注意桥梁1/4 处梁段的施工质量，保证其刚度满足要求；在桥梁的成桥运营期间，应该对1/4 处梁段进行重点检查，避免出现严重的刚度损失。