基于连续刚构桥研究挠度的不同影响因素分析

施秀山 SHI Xiu-shan；杨海洋 YANG Hai-yang

（①红河州地方公路管理处，蒙自 651100；②红河红发交通投资有限公司，蒙自 651100）

0 引言

我国云南省的地形地貌比较复杂，即在该地区的许多山谷河流都修建上了连续刚构桥。连续刚构桥具有许多优点，如：跨越能力强、行车舒适以及施工方便等[1]。但是，在连续刚构桥施工期间桥梁的跨中和边跨都会形成一定的挠度，即在桥梁的运营过程之中随着桥梁使用年限的增加啊，其挠度会越来越大，当桥梁的跨中下挠严重就会形成混凝土裂缝，进而影响桥梁的结构安全。因此，分析不同的下挠原因可以为连续刚构桥的下挠积累分析经验，并且对桥梁监控以及维修加固具有重要意义[2]。

1 工程背景

本文主要分析研究了云南省的某一座连续性的刚构桥，全桥一联，且桥梁的跨径布置为（66+120+66）米。并且主梁主要表现为单箱单室的箱梁，此桥的桥面宽度为9米，主梁的底面宽度为5米，以及箱梁的根部主梁的高度为7.5米，位于中跨跨中和梁端的主梁的高度为3米，并且箱梁的主梁的高度及主梁的底面曲线按照2次抛物线的形式变化。该桥的桥墩主要使用双肢薄壁空心墩，并且1号桥墩的高度为24米，2号桥墩的高度为23米。连接桥墩的承台的厚度为4米，并且采用9根直径为2米的钻孔灌注桩作为基础，并且桩长分别为48米和50米[3]，其桥型布置见图1所示。

图1 桥梁布置图（单位：m）

2 有限元模型的建立

使用计算模拟软件建立该连续刚构桥的MIDASCivil全桥的梁单元模型，并且其中连续刚构桥的主梁变化情况是主要是主要采用变截面的梁单元模拟，并且桩基础、承台、桥墩以及主梁采用刚性连接模拟现实接触[4]。桩基础使用“m”法计算桩土之间的作用影响并且通过节点来模拟弹性支承，即关于全桥的空间三维结构形成的建模图如图2所示。

图2 全桥三维结构离散图

3 不同影响因素对挠度的影响

3.1 自重变化对挠度的影响

在连续刚构桥正常施工的时候会根据建模计算分析设置好桥梁挠度的大小以此来监控预防桥梁形成过大的下挠度。但是，在施工的时候混凝土浇筑不可能做到尽善尽美。其中，在进行混凝土阶段浇筑的时候，混凝土的模板产生变形从而导致混凝土的自重增加；还有就是，混凝土顶表面不平整从而导致混凝土自重增加。即本节主要分析混凝土自重的不同对桥梁挠度的影响，混凝土自重系数变化如表1所示。

根据混凝土的自重增加的百分比，调整模型中混凝土的自重系数来表达混凝土增加的部分，根据表1分别建立的模型，得到工况一、工况三和工况五的不同节点位置的挠度变化情况，如图3所示。

表1 混凝土主梁的自重系数变化值

图3 不同工况下的挠度随节点不同位置的变化情况

根据奇数工况可以看出，混凝土超重对结构的挠度具有较小的影响，用曲线在图中展示不是很清晰。但是，图中可以明显的看出挠度的最大绝对值并不是在跨中，而是处于桥墩到跨中的3/4处，边跨也是基本处于桥墩到桥台的3/4处。根据图3所示具有对称性，故本文分别选取边跨节点14号、靠近跨中节点70号以及跨中节点76号的挠度进行分析研究，即得到表2。

根据表2中可以看出，当混凝土的自重每增加1%的重量时，14号节点的挠度就下降约0.41mm，70号节点的挠度就下降约0.44mm，而76号节点的挠度就只下降了约0.24mm。故当混凝土的自重按1%的重量增加时，那与原来相比多出来的1%重量就会使不同节点混凝土挠度按照一定量的位移下降。

表2 不同节点在不同工况下的挠度

即在施工的时候，根据正常情况下设置混凝土自重预拱度是可以正常保证混凝土的挠度的。但是，施工时可能导致混凝土自重增加，从而导致原本的预拱度不在满足实际施工的需要，故我们需要及时的做好施工监控工作，以保证混凝土的自重在合理范围之内，同时保障结构安全。

3.2 基础不均匀沉降对挠度的影响

在施工的时候，有许多原因造成地基的不均匀沉降。其中，桥梁的1号和2号桥墩的沉降差别过大会使得桥梁结构产生附加应力，进而当形成的附加应力超过结构的抗拉应力，继而使得结构产生更大的变形[5]。故本节通过控制1号和2号桥墩的下沉量并且支座处的沉降量为0毫米保持不变，来分析研究基础的不均匀沉降对挠度的影响，即设置桥墩的沉降量如表3所示[6]。

表3 桥墩沉降量的具体变化表

即连续刚构桥具有对称性，故考虑工况一至工况三为一个桥墩单独沉降，工况四至工况六为两个桥墩整体整体沉降。

根据图4中可以分析得出，前三种工况只考虑了1号桥墩的下沉量，其中随着一号穷桥墩的下沉，位于1号桥墩左右两边的桥梁两跨也随之形成挠度，并且随着下沉量的增大，各个位置的挠度也随之增大；同时，在1号桥墩下沉而2号桥墩没有下沉的时候，由于1号桥墩的下沉引起了2号桥墩右侧边跨形成上挠度。后三种工况考虑了1、2号桥墩同时下沉的情况，其中随着1、2桥墩的同时下沉中跨跨中出现了明显的下挠，然而由于认定支座每由产生沉降量，故两个边跨被迫跟随1、2号桥墩形成下挠，并出现了明显的对称性能[7]。

图4 基础沉降对挠度随节点位置不同的变化情况

根据表4中可以分析得出，针对于具有对称性的连续刚构桥，只有1号桥墩沉降和1、2号桥墩同时沉降时，1号桥墩的边跨跨中的挠度随着沉降量的变化一样，下挠的量是一样的，同时随着沉降量的增加挠度也是随着线性变化的，即每增加10毫米的沉降量便会下挠7.98107毫米的下挠量；但是，在1、2号桥墩同时沉降时，2号桥墩的边跨跨中才会有一个下挠，当只有1号桥墩沉降时，2号桥墩的边跨跨中会形成一个上挠，并且随着桥墩的沉降量增加其上挠也是线性变化着增加，即每增加10毫米的沉降量便上挠0.47214毫米的上挠量；当只有1号桥墩产生沉降的时候，刚构桥的中跨跨中的挠度下降量是线性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便会下挠5.88849毫米的下挠量；当1、2号桥墩同时下沉的时候，刚构桥的中跨跨中的挠度下降量是也是线性增加的，并且即每增加10毫米的沉降量便会下挠11.4367毫米的下挠量；同时，也可以分析出当1、2号桥墩同时沉降的时候的挠度是1号桥墩沉降时候的挠度的1.94倍，猜测可能是由于支座没有同时沉降的原因导致挠度不是2倍。

表4 跨中挠度的具体变化值

4 结论

本文通过MIDASCivil建立有限元单元模型，主要分析连续刚构桥的自重以及基础不均匀沉降对挠度的影响，并且得出以下结论，对类似桥梁的挠度分析和施工方案制定具有理论的参考价值。

①通过对不同位置的挠度模拟分析，可知桥梁的边跨和中跨的跨中挠度对桥梁的整体结构的影响非常之大，即让施工者清楚明白的了解了关于挠度对桥梁的施工过程之中的重要性，并且主要的分析和研究影响关于桥梁挠度原因的重要因素；

②通过桥梁主梁自重对桥梁挠度的数据结果分析，其中自重引起的比较大的挠度值主要集中在边跨跨中和中跨跨中的左右两侧；并且当混凝土的自重按1%的重量增加时，那与原来相比多出来的1%重量就会使不同节点混凝土挠度按照一定量的位移下降；

③通过基础不均匀沉降对桥梁挠度的数据结果分析，当1、2号桥墩同时沉降的时候的挠度是1号桥墩沉降时候的挠度的1.94倍，同时会形成基础不均匀沉降的最大的挠度值；当只有一侧桥墩沉降时，最大的下挠度即为桥墩的沉降量，而使得一个桥墩的边跨形成一定程度的上挠度，并且上挠度的绝对值只有下挠度的而绝对值的5.8%。