连续梁桥中跨跨中竖向变形的关键影响因素分析

刘 凯

（创辉达设计股份有限公司,湖南 长沙 410000）

随着我国交通基础设施建设的蓬勃发展,越来越多的桥梁在设计时选择采用预应力砼变截面连续梁桥。当连续梁桥通车运营一段时间后,设计人员发现,大部分连续梁桥出现中跨跨中竖向变形值下降幅度过大的病害,导致桥面铺装开裂,桥梁立面线形破坏,直接影响着桥梁结构的安全性和耐久性[1-2]。

本文针对通车运营后的PC连续梁桥中跨跨中竖向变形值下降幅度过大的问题,从桥梁结构、作用荷载和桥址环境等因素上探讨连续梁桥中跨跨中竖向变形值随铺装厚度类型、车道荷载超限、中跨预应力荷载和相对湿度改变的变化规律。

1 工程概况

某公路大桥上部结构为55m+90m+55m的变截面PC连续箱梁,单箱双室,采用悬浇对称施工,主梁采用C50砼,桥面宽18.5m,墩顶梁高5.5m,跨中及两端梁高2.5m,按1.8次抛物线变化,下部结构桥台为肋板台,桥墩为实体墩,墩台基础均为桩基础。主梁按全预应力构件设计,其中中跨底板束和中跨顶板束均为15φs15.2mm低松弛钢绞线。

2 分析方案

基于桥梁结构计算满足要求的前提,在桥梁结构尺寸、作用荷载和地质资料一致的条件下,从以下几个方面分析梁桥中跨跨中竖向变形量（正值为向上变形）的变化规律：（1）桥面铺装影响方案：水泥混凝土铺装和沥青混凝土铺装；（2）车道荷载超限影响方案：一侧车道和两侧车道；（3）中跨钢束预应力荷载损失影响方案：中跨底板束和中跨顶板束；（4）主梁砼材料受环境年平均相对湿度影响方案：C50砼和C55砼。

3 分析模型

运用midas Civil 2019软件建立55m+90m+55m连续梁桥的有限元模型,全桥共设111个节点,76个单元,按设计要求施加边界条件和荷载后,设定50个施工阶段,见图1。

图1 分析模型

4 计算结果与分析

4.1 桥面铺装的影响

当其他条件相同时,分别选择不同类型的桥面铺装,改变其厚度,运行分析模型,得到相应梁桥的中跨跨中竖向变形量变化图。

由图2可知,水泥砼和沥青砼铺装的梁桥中跨跨中竖向变形量均随铺装层厚度增大而减小,采用水泥砼的变化曲线斜率比采用沥青砼的变化曲线斜率大,当铺装厚度从5cm增大到10cm时,沥青砼铺装的中跨跨中竖向变形量从46.495mm降低到45.717mm,仅降低1.67%,水泥砼铺装的中跨跨中竖向变形量从45.717mm降低到43.303mm,降低了5.28%,这是因为桥面铺装材料和厚度不同时,竖向温度梯度和铺装自重引起的效应不同,当对运营期的桥梁立面线形要求较高时,桥面铺装建议选用沥青砼,维养时不同厚度的沥青砼铺装对中跨跨中竖向变形量的影响较小。当桥梁铺装采用水泥砼时,施工应特别注意水泥砼的厚度,避免局部不均匀导致通车运营后,桥梁立面线形与设计不符,影响行车舒适度。

图2 中跨跨中竖向变形量随桥面铺装厚度的变化

4.2 车道荷载超限的影响

当其他条件相同时,改变桥梁通车后的车道荷载数值,运行分析模型,得到相应梁桥中跨跨中的竖向变形量变化图见图3。

图3 中跨跨中竖向变形量随车道荷载数值的变化

由图3可知,梁桥中跨跨中竖向变形量均随车道荷载数值增加而减小,往返两侧车道荷载均超限的变化曲线斜率比一侧车道荷载超限,但另一侧恒为设计车道荷载的变化曲线斜率大,当车道荷载数值从1倍公路I级荷载增加到1.15倍公路I级荷载时,往返两侧车道荷载均超限的梁桥中跨跨中竖向变形量从45.875mm减小到44.097mm,降低了3.87%,仅一侧车道荷载超限的梁桥中跨跨中竖向变形量从45.875mm减小到44.986mm,仅降低1.94%,梁桥中跨跨中竖向变形量受车道荷载超限的影响较大。预期桥梁通车后会有较多的重车通行时,在保证经济可接受的前提下,适当增大设计车道荷载数值,当后期重车通行量逐步增大时,储备富余量将维持桥梁设计的立面线形,保证桥面行车的舒适度。

4.3 中跨钢束预应力荷载损失的影响

当其他条件相同时,分别选择中跨不同位置的纵向钢束,改变其钢束预应力荷载损失值,运行分析模型,得到相应梁桥中跨跨中的竖向变形量变化图见图4。

图4 中跨跨中竖向变形量随预应力荷载损失的变化

由图4可知,梁桥中跨跨中竖向变形量随中跨底板束预应力荷载损失值的增大而减小,随中跨顶板束预应力荷载损失值的增大而增大,当钢束预应力荷载均未损失时,梁桥中跨跨中竖向变形量为45.875mm,当中跨顶板束预应力荷载损失25%时,梁桥中跨跨中竖向变形量为46.61mm,仅提升1.61%,当中跨底板束预应力荷载损失25%时,梁桥中跨跨中竖向变形量为39.866mm,降低了13.1%,因中跨顶板束在设计时一般设置数量较少,可忽略其有利作用,当连续梁桥中跨跨中竖向变形量降幅较大时,可通过二次张拉中跨底板的预应力钢束或在中跨底板上增设体外束,结构验算安全后进行张拉,提高中跨底板的预压应力,减少梁桥中跨跨中竖向变形下降量。

4.4 主梁砼材料受环境年平均相对湿度的影响

当其他条件相同时,分别选择不同的主梁砼材料,改变其环境年平均相对湿度,运行分析模型,得到相应梁桥中跨跨中的竖向变形量变化图见图5。

图5 中跨跨中竖向变形量随环境年平均相对湿度的变化

由图5可知,不同主梁材料下的梁桥中跨跨中竖向变形量均随环境年平均相对湿度增加而增大,主梁材料采用C50砼与采用C55砼的变化曲线斜率基本相同。当环境年平均相对湿度从60%增大到85%时,主梁材料为C50砼的梁桥中跨跨中竖向变形量从45.441mm增大到46.703mm,仅提高2.78%,主梁材料为C55砼的梁桥中跨跨中竖向变形量从45.863mm增大到47.029mm,仅提高2.54%,环境年平均相对湿度对C55砼与C50砼在中跨跨中竖向变形量的影响较小,主梁材料设计时可按经济性要求选择C50砼,当桥址环境偏干燥时,运营期可考虑在箱梁内外铺设雾化水管,尽可能提高梁桥的年平均相对湿度,较低成本的增大桥梁的中跨跨中的竖向正变形量。

5 结论

本文针对运营期间的PC连续梁桥,在不同设计方案下进行数值仿真模拟,通过将不同方案中计算的中跨跨中竖向变形量进行对比分析,得到了以下几点结论：（1）水泥砼和沥青砼铺装的梁桥中跨跨中竖向变形量均随铺装层厚度增大而减小,当对运营期的桥梁立面线形要求较高时,桥面铺装建议选用沥青砼,当实际情况要求桥梁铺装采用水泥砼时,施工应特别注意水泥砼的厚度,避免局部不均匀导致通车运营后,桥梁立面线形与设计不符,影响行车舒适度；（2）梁桥中跨跨中竖向变形量随车道荷载数值增加而减小,且受车道荷载超限的影响较大,预期桥梁通车后会有较多的重车通行时,在保证经济可接受的前提下,可适当增大设计车道荷载数值；（3）梁桥中跨跨中竖向变形量随中跨底板束预应力荷载损失值的增大而减小,随中跨顶板束预应力荷载损失值的增大而增大,当连续梁桥中跨跨中竖向变形量降幅较大时,可通过二次张拉中跨底板的预应力钢束或在中跨底板上张拉增设的体外束,减少梁桥中跨跨中竖向变形下降量；（4）主梁材料采用C50砼和C55砼的梁桥中跨跨中竖向变形量均随环境年平均相对湿度增加而增大,但环境年平均相对湿度对C55砼主梁与C50砼主梁在中跨跨中竖向变形量的影响较小,设计时主梁材料可按经济性要求选择C50砼,当桥址环境偏干燥时,运营期可考虑在箱梁内外铺设雾化水管,尽可能提高梁桥的年平均相对湿度,较低成本的增大桥梁的中跨跨中的正竖向变形量。