大跨徑連續剛構橋長期下撓設計對策參數化分析

林志平 曾俊鋮 夏江泉 劉志權

（1.福建省高速公路集團有限公司，福州 350001；2.福建省高速技術咨詢有限公司，福州 350001；3.寧德市交通建設工程質量監督站，寧德 352100；4.同濟大學，上海 200092）

0 引言

連續剛構橋適用于高墩大跨連續梁橋的建設， 這種體系梁與墩固接， 能通過主墩的柔性來適應橋梁的縱向變形，在我國橋梁建設中已有較多的應用[1]。 然而在大量的工程實踐中發現， 預應力混凝土連續剛構橋跨中的下撓問題比較突出， 尤其是大跨徑連續剛構橋的長期下撓更為嚴重[2]。這一問題大大影響了預應力混凝土連續剛構橋的安全和使用性能，因此在設計這類橋梁時，采取相應的對策來控制其跨中長期撓度顯得尤為重要。

長期以來，學者對連續剛構橋的長期下撓提出了多種設計應對策略。鄭萬成[3]從改善設計水平的角度出發，分析了改善高跨比、增加頂板負彎矩束、增加支點區域底板厚度等手段，來減少連續剛構橋運營期間的長期下撓；何軍[4]通過對廣州市某橋的有限元計算分析，研究并評價了控制連續剛構橋長期下撓的幾種方法，包括荷載平衡法調整鋼束布置、調整施工措施、預留備用鋼束、設置體外預應力等；郭文君[5]結合晉蒙黃河大橋的建設，從跨徑、跨數、縱坡、梁底線形、橋墩高度、預應力體系等方面， 提出了改善連續剛構橋跨中下撓的一些設計和構造措施。

本文在目前已有的相關研究的基礎之上， 以寧德沈海復線雙福高速公路桐山溪特大橋為工程背景， 建立了有限元計算模型， 分析了預應力束和附屬設施的設計優化措施對大跨徑連續剛構橋長期下撓的影響。

1 工程概況

桐山溪特大橋主橋為 （104+200+104）m 的三跨預應力混凝土變截面連續剛構橋，如圖1。 左右幅采取分離布置，單幅為單箱單室箱梁截面。上部結構按全預應力混凝土構件設計，采用三向預應力體系。主橋采用掛籃懸臂澆筑法施工。

圖1 桐山溪特大橋總體布置圖（單位：m）

桐山溪特大橋主橋單幅箱梁標準斷面如圖2 所示，箱梁頂寬12m，底寬7m，頂板懸臂長度2.5m，懸臂板端部厚20cm，根部厚80cm。 箱梁高度由距主墩中心5.5m 處向跨中方向94.5m 段按1.5 次拋物線變化， 跨中處箱梁高度為4.57m，支點處箱梁高度為12.57m。 箱梁根部底板厚119.5cm，跨中底板厚32cm，底板厚度按直線變化；根部腹板厚90cm，跨中腹板厚50cm，腹板厚度在變化段按直線漸變， 由90cm 變至70cm， 再變至50cm； 頂板厚30cm。 梁頂設2%的橫坡。

選取單幅橋， 采用橋梁博士程序建立了桐山溪特大橋整體計算模型， 上部結構共計126 個單元、127 個節點，計算模型如圖3 所示。

圖2 主梁標準斷面圖（單位：cm）

圖3 有限元計算模型示意圖

為便于觀察橋梁跨中長期下撓的變化趨勢， 本文以各種情況下的成橋時跨中撓度為基準， 以不同成橋時間后的跨中撓度與成橋時跨中撓度的差值作為 “跨中撓度增量”，對計算結果進行說明。

2 預應力設計優化

2.1 懸澆束

桐山溪特大橋主跨為200m，懸臂施工時懸臂長度較大，懸澆束長度變化也較大，從20m 左右變化至300m 左右。 本文將橋墩0～37m 范圍內的預應力束稱為短束，距橋墩37m～71m 范圍內的預應力束稱為中長束， 距橋墩71m～99m 范圍內的預應力束稱為長束， 分別探討短束、中長束及長束的變化對跨中長期撓度的影響。

（1）短束

在其他條件不變的情況下， 分別將短束增加5%、10%與15%，得到跨中長期撓度的變化如圖4 所示。

可以看出，短束增加時，跨中長期撓度增量有所減小，但作用并不明顯，短束增加15%時，成橋30 年后的跨中撓度增量僅減小了2.4mm 左右。

（2）中長束

圖4 短束增加對跨中長期撓度的影響

圖5 中長束增加對跨中長期撓度的影響

在其他條件不變的情況下， 分別將中長束增加5%、10%與15%，得到跨中長期撓度的變化如圖5 所示。

可以看出，中長束增加時，跨中長期撓度增量相應減小， 中長束增加對減小跨中長期撓度的作用比短束增加明顯，中長束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了7mm 左右。

（3）長束

在其他條件不變的情況下， 分別將長束增加5%、10%與15%，得到跨中長期撓度的變化如圖6 所示。

圖6 長束增加對跨中長期撓度的影響

可以看出， 長束增加時， 跨中長期撓度增量相應減小，長束增加對減小跨中長期撓度的作用比較明顯，長束增加15%時， 成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了6mm 左右。

由以上分析可知， 增加中長束對改善跨中撓度的長期增長效果最為明顯。 因此，設計過程中，在滿足結構安全驗算的前提下，可適當增加中長束，以達到減小跨中長期下撓的目的。

2.2 中跨合龍束

增加中跨合龍束能提高跨中及附近梁段的預應力度，減小跨中正彎矩，理論上能夠達到減小跨中撓度的目的。為研究增加中跨合龍束對跨中長期撓度的影響，在其他條件不變的情況下， 分別將中跨合龍束增加5%、10%與15%，得到跨中長期撓度的變化如圖7 所示。

圖7 中跨合龍束增加對跨中長期撓度的影響

可以看出，中跨合龍束增加時，跨中長期撓度增量相對減小， 中跨合龍束增加對減小跨中長期撓度的作用非常明顯，中跨合龍束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了13mm 左右。與增加中長束相比，同比例增加中跨合龍束對改善跨中撓度的長期增長效果更加明顯。

桐山溪特大橋的中跨合龍束數量較多， 為進一步研究不同種類的中跨合龍束對跨中長期下撓的影響， 分別將底板短束、底板中長束、底板長束及體外束增加15%，得到跨中長期撓度的變化如圖8 所示。

可以看出，各類中跨合龍束增加時，跨中長期撓度增量均相應地減小，但減小的幅度有所不同。 其中，在其他條件相同的情況下， 底板中長束增加對減小跨中長期撓度的作用最明顯，底板中長束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了5mm 左右。

圖8 中跨各合龍束增加對跨中長期撓度的影響

由以上分析可知， 增加中跨底板中長束對改善跨中撓度的長期增長效果比較明顯。 因此，設計過程中，在滿足結構安全驗算的前提下，可適當增加中跨底板中長束，以達到減小跨中長期下撓的目的。

2.3 邊跨合龍束

邊跨合龍束的張拉主要改變了邊跨的內力水平，從而改變了邊跨的收縮徐變進程。 對于超靜定的混凝土連續剛構橋來說，隨著收縮徐變的發展，橋梁將產生較大的次內力并進行內力重分布， 影響結構成橋時的位移與內力狀態，同時影響累計誤差。

在其他條件不變的情況下， 分別將邊跨合龍束增加5%、10%與15%，得到跨中長期撓度的變化如圖9 所示。

圖9 邊跨合龍束增加對跨中長期撓度的影響

可以看出，邊跨合龍束增加時，跨中長期撓度增量并未減小，反而有略微的增加，邊跨合龍束增加對減小跨中長期撓度不利。 邊跨合龍束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量增加了1mm 左右。

由以上分析可知， 邊跨合龍束增加對跨中長期下撓不利。

3 附屬設施設計優化

線形控制是大跨徑混凝土連續剛構橋施工監控的重要內容。 線形控制的效果不僅與監控單位的理論計算準確性有關， 還與施工單位的技術實力及各參建單位的參與度有關。施工現場環境復雜，線形控制往往存在一定誤差， 已建的大跨徑混凝土連續剛構橋線形控制效果參差不齊。為保證鋪裝及橋面構造的景觀效果，桐山溪特大橋設置了6cm 的混凝土找平層，找平層重量占橋面系總重的40%左右。 全橋合龍后，橋面鋪裝、防撞護欄等產生的荷載會增加結構運營階段長期下撓的風險。然而，若不設置找平層， 則會對施工過程中的線形控制提出更高的要求。

為研究取消找平層對結構的影響， 計算得到了取消找平層后跨中長期撓度的變化，如圖10 所示。

可以看出，與設計鋪裝時相比，取消找平層后，成橋30 年后的跨中截面長期撓度增量減小了8mm 左右，減小比例達到29%左右。因此，取消找平層對改善跨中長期下撓是有利的， 但由此可能帶來的線形不平順問題需通過施工控制來消除。

圖10 取消找平層對跨中長期撓度的影響

4 結論

本文以主跨200m 的桐山溪特大橋為背景， 分析了大跨徑預應力混凝土連續剛構橋在預應力和附屬設施方面的設計優化對策對橋梁跨中長期下撓的影響， 得到了以下主要結論：

（1）懸澆束中，增加中長束對減小跨中長期撓度的效果最突出，中長束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了7mm 左右； 增加長束的效果也較為明顯。

（2） 中跨合龍束的增加對跨中長期下撓的改善作用非常明顯，其中以增加底板中長束的效果最為顯著。中跨合龍束增加15%時，成橋30 年后的跨中長期撓度增量減小了13mm 左右。

（3）增加邊跨合龍束對橋梁跨中長期下撓不利，跨中長期撓度并未減小，反而略微增加。

（4）取消找平層可以改善跨中長期下撓，成橋30 年后的撓度增量可減小29%左右。 但這一措施可能會造成橋梁線形不平順，需要更精確的施工控制。