瞿生科

摘 要：平轉(zhuǎn)法施工在特定情況下（如）跨越重要交通運(yùn)輸路線，具有其他施工方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性。平轉(zhuǎn)法施工通常具有所用施工設(shè)備少、難度小、速度快、費(fèi)用低、對(duì)現(xiàn)有交通影響小、結(jié)構(gòu)受力合理的特點(diǎn)，近年來(lái)在橋梁施工中應(yīng)用越來(lái)越多。本文主要論述橋梁轉(zhuǎn)體橋預(yù)拱度計(jì)算，闡述各種狀態(tài)下對(duì)預(yù)拱度有影響。

關(guān)鍵詞：預(yù)拱度;線形控制;支架剛度

線形控制（狹義上稱高程控制）是施工控制的重要內(nèi)容。線形控制非常重要，它是保證順利成橋的關(guān)鍵。為了成橋時(shí)橋梁線形達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，在主梁的施工過(guò)程中需設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度的設(shè)置以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，以實(shí)際測(cè)量的主梁變位為依據(jù)，并考慮施工過(guò)程中混凝土的實(shí)際容重、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、橋面臨時(shí)荷載、體系轉(zhuǎn)換、日照溫差等多方面的影響。那么弄清預(yù)拱度曲線的變化規(guī)律很有必要。預(yù)拱度的形狀主要取決于橋型和施工方法，預(yù)拱度的大小主要取決于橋梁剛度、荷載及施工環(huán)境中各方面因素。本章以跨京滬鐵路轉(zhuǎn)體橋計(jì)算模型為基礎(chǔ)，通過(guò)改變計(jì)算模型中的平曲線半徑、支架剛度、徐變模型、墩身高度等參數(shù)，分析得到由恒載、預(yù)加力、收縮徐變及1/2靜活載計(jì)算的預(yù)拱度的變化規(guī)律[16]，從而為轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)橋梁預(yù)拱度的計(jì)算提供借鑒。

一、預(yù)拱度影響因素

影響預(yù)拱度的因素即是影響橋梁變形的因素，主要因素有：

1計(jì)算圖式和結(jié)構(gòu)剛度

不同的橋型對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算圖式，不同的計(jì)算圖式對(duì)應(yīng)不同的預(yù)拱度性狀。比如等剛度簡(jiǎn)支梁橋，跨中撓度最大，支點(diǎn)處最小。

結(jié)構(gòu)剛度越大，結(jié)構(gòu)變形越大;反之越小。

2結(jié)構(gòu)自重

自重作用引起的變形在總變形中占有很大的部分，特別是大跨度橋梁中。

3二期恒載

橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等作用及二期恒載上橋時(shí)間對(duì)橋梁變形有較大影響。

4預(yù)加力

預(yù)應(yīng)力引起的變形在總變形中占很大部分，比如懸臂狀態(tài)下張拉頂板束會(huì)引起主梁上撓，張拉底板束會(huì)引起主梁下?lián)?。預(yù)加力越大，變形越大。

5結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

施工過(guò)程中往往需要經(jīng)歷很多次體系轉(zhuǎn)換，這樣計(jì)算圖式不斷變化，從而引起變形規(guī)律的變化。

6施工方法

不同的施工方法施工工序不盡相同，各施工階段對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、邊界條件、荷載不同，變形也不同。比如懸臂施工和支架施工，懸臂施工是靜定體系，而支架施工可看成是多點(diǎn)支承的超靜定體系，主梁的變形存在很大的差異。若只考慮主梁自重荷載，有支架施工的特點(diǎn)是施工過(guò)程中節(jié)段自重由支架承受，完成各節(jié)段的施工后各節(jié)段整體落架，自重由支座承擔(dān);懸臂施工的特點(diǎn)是施工過(guò)程中各節(jié)段的自重荷載始終由支座或臨時(shí)支承承擔(dān)。有支架施工先完成節(jié)段自重對(duì)后施工節(jié)段的變形也有影響;懸臂施工先完成節(jié)段自重對(duì)后完成節(jié)段變形沒(méi)有影響[18]。

7混凝土收縮徐變

混凝土的收縮徐變計(jì)算比較困難，影響的因素很多，主要有水泥品種、集料性質(zhì)、配合比、外加劑、加載齡期、溫度、應(yīng)力大小和持續(xù)時(shí)間等?；炷潦湛s徐變機(jī)理比較復(fù)雜，本質(zhì)上取決于其內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程。目前主要的理論有力學(xué)變形理論、塑形理論和粘性流理論。不同的模型計(jì)算的變形值有較大差別。

8掛籃自重及其變形

如果采用掛籃懸臂施工，掛籃自重對(duì)已澆梁段產(chǎn)生變形，掛籃自身也發(fā)生變形。

9支架剛度

如果采用支架施工，支架的支承剛度大小影響主梁變形，剛度大變形小，剛度小變形大。

10墩身變形

墩身變形直接影響主梁線形，特別是高墩情況。

11平曲線和縱坡

位于平曲線上的橋梁屬于空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)該考慮空間效應(yīng)，如主梁扭轉(zhuǎn)變形。當(dāng)主梁位于較大的縱坡上時(shí)，應(yīng)該考慮其影響。

12溫度

混凝土結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下會(huì)發(fā)生變形，特別對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)影響更大。

13施工荷載

施工過(guò)程中，臨時(shí)荷載引起主梁變形，卸除后變形恢復(fù)。

由上可知，影響變形的因素很多。而對(duì)于同一種橋型和同一施工方法的橋梁，前6種因素影響下的變形規(guī)律是不變的，變形主要考慮后7種因素，尤其是（7）-（11）。

二、平曲線對(duì)預(yù)拱度的影響

曲線梁橋由于彎扭耦合使得其受力變形較直線橋復(fù)雜的多[10]，預(yù)拱度計(jì)算比較困難。曲線橋轉(zhuǎn)體施工法的實(shí)例為數(shù)不多，預(yù)拱度的設(shè)置要除了要考慮轉(zhuǎn)體法的特殊性外，還要考慮平曲線的影響[16]。

為了分析各種半徑平曲線對(duì)預(yù)拱度設(shè)置的影響，在原橋基礎(chǔ)上，保持中間柱墩位置及切線方向不變，建立半徑600m、400m、300m、200m、150m共5個(gè)有限元計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)6個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，得到平曲線對(duì)支架現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體施工橋梁預(yù)拱度的影響。以下預(yù)拱度圖中：豎向預(yù)拱度向上為正，向下為負(fù);扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度符合右手螺旋法則，大拇指從端支點(diǎn)指向中支點(diǎn)，順食指方向?yàn)檎?，反之為?fù);橫向預(yù)拱度向曲線外側(cè)為正，內(nèi)側(cè)為負(fù)。

1 平曲線對(duì)豎向預(yù)拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計(jì)算得到的豎向預(yù)拱度見(jiàn)圖1。

由圖1可知，不管平曲線半徑為何值，豎向預(yù)拱度的極值發(fā)生在15號(hào)節(jié)點(diǎn)（A2節(jié)段末）、24號(hào)節(jié)點(diǎn)（A4節(jié)段開(kāi)始）及16號(hào)節(jié)點(diǎn)（A3節(jié)段開(kāi)始）。且豎向預(yù)拱度隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢(shì)，曲線半徑大于300m時(shí)，豎向預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較小，曲線半徑小于300m時(shí)，豎向預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較大。以15號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，曲線半徑600m、400m、300m時(shí)豎向預(yù)拱度較曲線半徑800m分別增加2%、6%，11%;曲線半徑200m、150m時(shí)豎向預(yù)拱度較曲線半徑800m分別增加24%、39%。但是預(yù)拱度的絕對(duì)值及增幅絕對(duì)值并不大，分別約15mm、6mm?？梢?jiàn)，平曲線對(duì)豎向預(yù)拱度的影響較小，在大半徑曲線時(shí)可以不考慮其影響。

2平曲線對(duì)扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度下圖：

由圖2可知，不管平曲線半徑為何值，扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的極值發(fā)生在5號(hào)節(jié)點(diǎn)（A1節(jié)段）、31號(hào)節(jié)點(diǎn)（A4節(jié)段末），而24號(hào)節(jié)點(diǎn)（A4節(jié)段開(kāi)始）基本為0。且扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度絕對(duì)值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢(shì)，曲線半徑大于300m時(shí)，扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較小，曲線半徑小于300m時(shí)，扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較大。以5號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，曲線半徑600m、400m、300m時(shí)預(yù)拱度絕對(duì)值較曲線半徑800m分別增加33%、100%，166%;曲線半徑200m、150m時(shí)預(yù)拱度絕對(duì)值較曲線半徑800m分別增加300%、425%。

扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度在A4合攏段開(kāi)始處基本為0，這是由于施工完成A3節(jié)段后脫架，前3個(gè)節(jié)段的扭轉(zhuǎn)變形既已基本完成，而后澆A4節(jié)段對(duì)此處的扭轉(zhuǎn)變形影響較小。扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的絕對(duì)值及增幅絕對(duì)值并不大，分別約0.063°（梁截面左右兩點(diǎn)高差約5.5mm）、0.051°。

可見(jiàn)，平曲線對(duì)扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的影響大于對(duì)豎向預(yù)拱度的影響。當(dāng)曲線半徑較大（大于300m）時(shí)，可以不考慮平曲線的影響。

3平曲線對(duì)橫向預(yù)拱度的影響

各平曲線半徑橋梁計(jì)算得到的橫向預(yù)拱度見(jiàn)圖3。

由圖3可知，不管平曲線半徑為何值，橫向預(yù)拱度的極值發(fā)生在1號(hào)節(jié)點(diǎn)（A1節(jié)段開(kāi)始）、31號(hào)節(jié)點(diǎn)（A4節(jié)段末），而23號(hào)節(jié)點(diǎn)（A3節(jié)段末）基本為0。且橫向預(yù)拱度絕對(duì)值隨著曲線半徑的減小有增大的趨勢(shì)，曲線半徑大于300m時(shí)，橫向預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較小，曲線半徑小于300m時(shí)，橫向預(yù)拱度增幅絕對(duì)值較大。以1號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，曲線半徑600m、400m、300m時(shí)預(yù)拱度較曲線半徑800m分別增加50%、105%，172%;曲線半徑200m、150m時(shí)預(yù)拱度較曲線半徑800m分別增加305%、438%。

橫向預(yù)拱度在A4合攏段開(kāi)始處基本為0，這是由于施工完成A3節(jié)段后脫架，前3個(gè)節(jié)段的橫向變形既已基本完成，而后澆A4節(jié)段對(duì)此處的橫向變形影響較小。橫向預(yù)拱度的絕對(duì)值及增幅絕對(duì)值并不大，分別約9.7mm、7.9mm。

可見(jiàn)，平曲線對(duì)橫向預(yù)拱度的影響大于對(duì)豎向預(yù)拱度的影響。當(dāng)曲線半徑較大（大于300m）時(shí)，可以不考慮平曲線的影響。

平曲線對(duì)預(yù)拱度的影響主要表現(xiàn)在對(duì)橫向、扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的影響，對(duì)豎向預(yù)拱度影響較小。當(dāng)半徑大于300m時(shí)，計(jì)算預(yù)拱度時(shí)可以不考慮平曲線。

二、支架剛度對(duì)預(yù)拱度的影響

在原橋模型基礎(chǔ)上，增加支架豎向剛度一倍，即支架豎向剛度取40000t/m，進(jìn)行對(duì)比分析。豎向、扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度見(jiàn)圖4、5、6。

由圖可知，支架剛度增加一倍，豎向、扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度基本不變，最大差值約0.4mm。由此可見(jiàn)，滿堂支架施工經(jīng)過(guò)預(yù)壓后剛度已經(jīng)很大，支架剛度在合理范圍內(nèi)取值，基本不會(huì)影響預(yù)拱度的大小[16]。

三、徐變模型對(duì)預(yù)拱度的影響

原橋模型采用老化理論計(jì)算混凝土收縮徐變，收縮徐變計(jì)算參數(shù)見(jiàn)下節(jié)。采用公路04規(guī)范收縮徐變計(jì)算公式建立計(jì)算模型，進(jìn)行對(duì)比分析。

豎向、扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度見(jiàn)圖7、8、9。由圖可知，采用不同的徐變模型，計(jì)算的豎向預(yù)拱度差異較大，最大差值約10mm。而對(duì)扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度的影響較小，對(duì)于本橋可以不予考慮。

四、墩身高度對(duì)預(yù)拱度的影響

原橋模型橋墩高度10.5m，通過(guò)改變其墩身高度建立墩高15m、20m、25m的計(jì)算模型，進(jìn)行對(duì)比分析。不同墩身高度的橋梁豎向、扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度見(jiàn)圖10、11、12。

由圖可知，墩身高度的變化對(duì)豎向、扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的影響甚小，最大差值分別為3mm和0.011°（相當(dāng)于主梁兩側(cè)1mm的高差），可以忽略。當(dāng)墩身高度較大時(shí)，由于墩身橫向變形較大，主梁應(yīng)該考慮設(shè)置橫向預(yù)拱度。墩身高度對(duì)豎向預(yù)拱度的影響主要是由墩身壓縮引起的，本橋墩身為實(shí)心截面，壓縮剛度較大，墩身豎向壓縮變形較小。

五、運(yùn)營(yíng)階段混凝土收縮徐變引起的預(yù)拱度

一般情況下，橋梁施工周期較短，混凝土收縮徐變是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，成橋時(shí)混凝土收縮徐變并沒(méi)有完成，因此預(yù)拱度要考慮運(yùn)營(yíng)階段混凝土收縮徐變因素。一般在成橋后插入一個(gè)施工周期為10年的施工階段（不考慮移動(dòng)荷載），考慮運(yùn)營(yíng)階段混凝土收縮徐變。主梁成橋時(shí)和收縮徐變10年后的主梁變形見(jiàn)圖13、14、15。

由圖可知，收縮徐變10年后，主梁豎向變形較大，最大10mm，應(yīng)該在預(yù)拱度設(shè)置中考慮。主梁扭轉(zhuǎn)和橫向變形較小，設(shè)置預(yù)拱度時(shí)可以不考慮。

六、各部分作用對(duì)預(yù)拱度的貢獻(xiàn)

主梁變形是由多種作用共同作用的結(jié)果，不同作用引起的變形大小不相同，那么各作用下，主梁應(yīng)該設(shè)置的預(yù)拱度也不相同。各種作用下應(yīng)設(shè)豎向預(yù)拱度見(jiàn)圖16。

由圖可知，結(jié)構(gòu)自重和預(yù)加力作用下的應(yīng)設(shè)預(yù)拱度較大，但方向相反，基本抵消。收縮徐變和1/2靜活載作用下的應(yīng)設(shè)預(yù)拱度較小，方向也相反，但收縮徐變的比1/2靜活載的絕對(duì)值要大。

七、結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以得出以下結(jié)論：

1不同半徑平曲線對(duì)預(yù)拱度有影響。隨著平曲線半徑的減小，豎向預(yù)拱度、橫向預(yù)拱度絕對(duì)值、扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度絕對(duì)值都有增大的趨勢(shì)：平曲線半徑大于300m時(shí)，增幅絕對(duì)值較小;平曲線半徑小于300m時(shí)，增幅絕對(duì)值較大。平曲線對(duì)橫向、扭轉(zhuǎn)預(yù)拱度的影響較大，對(duì)豎向預(yù)拱度影響較小。當(dāng)半徑大于300m時(shí)，計(jì)算預(yù)拱度時(shí)可以不考慮平曲線的影響。對(duì)于本橋，可以只設(shè)置豎向預(yù)拱度，不設(shè)置扭轉(zhuǎn)、橫向預(yù)拱度。

2支架剛度取值在合理范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)預(yù)拱度的影響較小。

3采用不同徐變模型計(jì)算的預(yù)拱度差異較大。對(duì)于本橋，只需要考慮不同徐變模型對(duì)豎向預(yù)拱度影響的差異。應(yīng)該在線形控制過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，選取合理的徐變模型參數(shù)計(jì)算預(yù)拱度。

4墩身高度對(duì)曲線橋梁的橫向預(yù)拱度產(chǎn)生較大的影響。墩身高度較大時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置橫向預(yù)拱度。

5本橋運(yùn)營(yíng)階段混凝土收縮徐變作用下，產(chǎn)生較大的豎向變形。計(jì)算預(yù)拱度時(shí)應(yīng)考慮。

6結(jié)構(gòu)自重和預(yù)加力作用下的應(yīng)設(shè)置的預(yù)拱度值較大，其計(jì)算誤差對(duì)預(yù)拱度的設(shè)置產(chǎn)生的影響最大。

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