预拱度设置（精选7篇）
预拱度设置 篇1
摘要：现代桥梁除满足功能需求外, 人们对其外观与舒适度的要求也越来越高, 如桥梁的线型不合理会严重影响人的舒适感和桥梁的美观。因此在钢箱桥制作过程中, 通过设置合适的预拱度, 控制桥梁的线型显得尤为重要。现以成都二环路钢箱桥制作过程的预拱度为例, 浅析钢箱桥预拱度的设置。
关键词：钢箱桥,预拱度,变形控制
1 工程概况
成都二环路改造工程中的钢箱桥结构为等截面钢箱梁, 梁体单幅全宽12.900m, 梁高2.0m, 悬臂长为1.850m, 40m跨。钢箱梁底板厚有20mm和16mm两种, 顶板厚16mm, 腹板厚16mm, 横隔板标准纵向间距3.0m, 支点处横隔板厚30mm, 其余厚12mm;顶板采用8mm厚300×280的U型加劲肋形成正交异性板结构, 底板腹板采用10mm厚120mm宽板肋纵向加劲, 顶底板横向、腹板竖向加劲肋及横隔板横向加劲肋厚12mm, 顶底板横向加劲肋、腹板竖向加劲肋每2道横隔板间设置一道。钢板材质为Q345-C (见图1所示) 。桥面铺装总厚度为70mm, 即为35mm聚合物改性沥青GA-10 (铺装下层) +35mm高弹改性沥青SMA-10 (铺装上层) 。
2 预拱度设置原理
预拱度是为抵消钢箱桥、面层等结构在荷载作用下产生的扰度, 而在钢箱桥制作时预留与位移方向相反的一校正量。
理论预拱度值应按结构自重和1/2可变荷载频遇值计算的长期挠度值之和采用。预拱度的设置应按最大的预拱度值按顺桥向做成圆滑曲线。
图2为该钢箱桥的设计理论预拱度值:
3 预拱度的设置
预拱度的设置按照二次抛物线法计算, 公式为:
将三点坐标 (0.0) ; (半跨长, 最大的预拱度值) ; (跨长, 0) 代入公式一即可求得a, b, c即可。式中:Y为预拱度值;X为距离原点的数值。见图3:
预拱度的设置也可采用公式为:
式中:Y———预拱度值;
L———半跨长;
Xn———距离支座中心的距离;
H———预拱度值。
由于该钢箱桥结构的特殊性, 在其上部位置有众多的纵向、横向加强板的焊缝, 会使梁上弦的焊缝收缩应力大大超过下弦而导致预拱度值的减少。此外考虑钢箱桥的自重等因素, 在工艺上预拱度值应大于设计值。
按照设计要求, 每跨钢箱桥的预拱度按照二次抛物线进行, 由于受施工进度、钢箱桥内部结构形式以及焊接顺序等因素的影响, 不能保证顶板、底板以及筋板同时焊接, 通过计算分析研究并结合以往的工程经验, 在除设计给定的预拱度值外, 再增加一定量的制造预拱度值, 从而抵消一部分由于焊接不对称引起的钢箱桥变形。预拱度修正值如图4所示:
4 预拱度值的实测
钢箱桥在现场预拼装完成以后, 预拱度检测点共有12个, 位置如图5所示。
经过测量, 预拱度实际值如图6所示:
5 结束语
原设计预拱度没有考虑施工因素, 所给出的理论偏小, 如果按照设计图直接进行制作、预拼装, 则最后成型的结构会因下绕量过大而得不到预想的几何位形, 更重要的是, 得不到正常使用极限状态的设计原则所要求的结构刚度。
本文通过对钢箱桥实测数据来分析验证理论设计值和修正预拱度值, 使钢箱桥的线型最大限度地接近设计线型, 为以后类似钢箱桥结构的预拱度设值提供了参考资料。
参考文献
[1]JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].
[2]JTG/T50-2011公路桥涵施工技术规范[S].
[3]TB10212-2009铁路钢桥制造规范[S].
[4]GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].
[5]GB50017-2003钢结构设计规范[S].
预拱度设置 篇2
我项目部在沪宁城际铁路蔡家边特大桥0#~1#起始跨对ZQM900C移动模架造桥机(中铁武桥重工设计制造)进行堆载预压模拟试验,堆载过程使用袋装石粉代替施工荷载进行,部分载荷用钢筋堆载替代。
1 移动模架预压
1.1 预压目的
为验证ZQM900C移动模架的设计制造和拼装质量,移动模架在外模安装就位后需现场进行堆载预压试验。以消除移动模架在拼装过程中的非弹性变形,并且同时测算出移动模架在制梁状态下主梁、横梁及模板等的弹性变形,结合箱梁预应力张拉后的起拱值计算出移动模架底模、翼板等部位的预拱度设置值。
1.2 试验程序
试验准备→移动模架就位→移动模架全面检查→观测点标记布置→分级加载→观测读数、记录→终值静置→观测记录→卸载→观测结构变形→观测数据分析→调整预拱度设置。
1.3 模拟堆载方式与加载过程
加载重量按模拟浇注箱梁结束状态下的荷载考虑。箱梁自重:833.6t。堆载试验采用大型编织袋内装石粉代替荷载进行,每只编织袋装重1.25t,共配置800条,总重量1000t(移动模架总重量的1.2倍)。为了更加详细的描述移动模架在加载过程中的挠度变化,预压分五级进行,分级加载重量简化为:0→286t→679.9t→768.3t→941.2t→997.2t→0。每级加载完成后立即组织工程技术人员对移动模架测点进行观测,记录每次观测值,并进行数据分析。
1.4 堆载试验观测数据
观测数据随测随分析,并对前后观测数据进行仔细的比较、分析,具体观测数据以图形形式显示出来。如图1所示。
2 观测数据处理
由左箱梁预压下沉观测结果知:左箱梁最大非弹性变形值为22mm,最大变形量为89mm,弹性变形量为67mm。
由右箱梁预压下沉观测结果知:右箱梁最大非弹性变形值为32mm,最大变形量为89mm,弹性变形量为58mm。
由以上数据可知,移动模架弹性变形量为62.5mm。
但考虑到移动模架预压的最终加载重量是箱梁自重的1.2倍,即移动模架预压最终观测数据比实际制梁过程中变形值要大,根据现场实际加载情况,移动模架预压时前导梁未安装,由静压第二天的观测数据和静压第一天的观测数据对比可知,在移动模架前导梁安装完成后,主箱梁标高反弹值最大达8mm,且箱梁两端1.5m范围内受支座影响,模板未安装,反映制梁真实状态的是预压到768t时的荷载,此时主箱梁最大变形量:左侧主箱梁为82mm,弹性变形量60mm;左侧主箱梁为82mm,弹性变形量50mm。
综合以上数据及现场实际情况,取主箱梁弹性变形量47mm,而非弹性变形量一旦消除,在调整箱梁底模预拱度时不再考虑。
3 预拱度设置
根据32m预应力砼简支箱梁设计图纸[图号:沪宁城际施图(通桥)-I-01],梁体预设反拱,跨中反拱值为20.9mm,其它位置按二次抛物线过渡,该数值为箱梁浇筑完成后、预应力张拉前的箱梁底预拱度数据。
考虑施工中存在以下因素:
(1)调整预拱度时模架重新松动,按3mm非弹性变形考虑;
(2)支座处压缩变形量按1mm考虑;
(3)主箱梁弹性变形量为47mm。
综合以上因素,本次调整预拱度值为向上30mm。
利用上述公式计算得出箱梁纵桥向各点预拱度值如图2:
摘要：移动模架以其独特的优越性被越来越多的用在客运专线复杂的跨河、海长大桥梁中,移动模架拼装完成后,在使用前需通过堆载预压来消除模架自身的非弹性变形,并同时测定出其弹性变形以计算模架在制梁时需要设置的预拱度。
关键词：移动模架,堆载预压,非弹性变形,弹性变形,预拱度
参考文献
[1]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.
预拱度设置 篇3
关键词：成桥预拱度,曲线拟合,分段正弦曲线法,连续刚构桥
成桥预拱度的计算一般采用二次抛物线法或者余弦曲线法[1,2,3]。这两种方法都是根据经验得到跨中最大值后,在全桥按曲线分配。这样给人的感觉随意性很大,合理性受到怀疑,不能揭示成桥后桥梁受力变形曲线的变化规律。特别是对于不对称桥梁及复杂截面引起的不对称收缩徐变,采用这种对称的曲线是不合理的。因此,文中提出了一种分段正弦曲线法,通过有限元计算出桥梁成桥后各种因素影响下的挠度,该挠度曲线是不平顺的,需要采用分段正弦曲线将成桥挠度计算拟合出平顺的成桥预拱度,即设置预拱度。并通过研究一座跨径为(88+2×160+88)m的连续刚构桥的成桥预拱度,拟合后的成桥预拱度与有限元计算的成桥预拱度相关系数达到0.99,验证了分段正弦曲线法的可靠性。
1成桥预拱度的定义及影响因素
目前,绝大部分连续刚构桥都是采用悬臂浇筑法施工的,其过程的线形控制一般都是通过设置预拱度而实现的。预拱度可分为施工预拱度和成桥预拱度。设置施工预拱度主要是为消除施工过程中恒载、挂篮变形、温度、前期混凝土收缩徐变、预应力损失等对桥梁线形的影响,由于施工监控过程可以对每一施工阶段的施工预拱度进行参数识别、分析和修正,使得施工预拱度的设置可达到比较高的精度[1];设置成桥预拱度主要是为了消除混凝土后期收缩徐变、活载、后期预应力损失对桥梁线形的影响[4,5],成桥预拱度的设置情况直接关系到桥梁运营线形的好坏。
成桥预拱度的表达式可以表示为:
fc=-fsc-fyc-fhc。
fc为桥梁成桥预拱度;fsc为桥梁后期收缩徐变引起的桥梁挠度;fyc为桥梁预应力损失引起的桥梁挠度;fhc为桥梁承受的1/2活载引起的挠度。
成桥预拱度的设置方法有二次抛物线法、余弦曲线法,与文中提出的分段正弦曲线法主要有两方面不同:一方面是前者只注重桥梁线形变化最大值的拟合,后者是注重全桥线形的整体拟合;另一方面是前者是对称曲线难于模拟非对称变形,特别是边跨成桥预拱度是非对称的,而后者由于采用分段,所以可以模拟非对称变形,能比较好满足具有复杂预拱度曲线的桥梁要求。各种成桥预拱度设置方法与各影响因素的模拟好坏直接说明了其方法的优劣性,如表1所示,分段正弦曲线法对于各影响因素的模拟都是较好的。
2分段正弦曲线法
分段正弦曲线法计算桥梁成桥预拱度,主要分为两个步骤,第一是利用有限元计算桥梁在成桥后由于收缩徐变、预应力损失、活载引起的挠度所需要设置的预拱度,第二是对有限元计算的成桥预拱度进行光滑曲线拟合,即分段正弦曲线拟合。
2.1有限元分析
有限元分析首先就是将结构离散成有限个单元,由结点将单元相互连接起来形成一个理想的结点系统,然后进行单元分析,用结点位移表示单元内力,再将各个单元整合成整体结构,进行整体分析,建立整体平衡关系,由此求出结点位移。因此,利用有限元分析软件,建立桥梁的模型后,就可计算出桥梁在成桥后由于收缩徐变、预应力损失、活载引起的挠度。
2.2分段正弦曲线拟合原理
有限元计算出来的挠度结果都是一些离散的点
因此,我们要找一个目标模型符合已知离散点分布的总体轮廓,并且尽可能多地使曲线上的点接近已知的数据。为此,可使用最小二乘法[6],根据误差平方和最小的原则,求出目标模型。
将目标模型设定为正弦曲线:S(x) =asinx+c。
设S作为f的近似的连续模型,要求S在xj处的S(xj)值与f(xj)的误差(也叫残差)δj。
δj=S(xj) - f(xj) (j= 0,1,2, …,m)。
的平方和最小,记δ=(δ0,δ1,……δm)T,j= 0,1,2,…,m,有:
由最小二乘法得出的曲线与理论值有很好的相关性,并可以用相关系数R来表示相关性的好坏。
成桥预拱度就是桥梁竣工时的梁段标高和设计标高之间的差值,因而成桥预拱度曲线的平顺度关系到竣工线形的平顺度,因此,有必要把拟合曲线的平顺度作为拟合的目标之一。所以在求目标模型的时候,要使这一目标得到满足,就得使拟合曲线满足n(n≥2)次可导。
3工程实例
3.1工程背景
某预应力混凝土连续刚构桥,跨径布置为(88+2×160+88) m,主梁采用单箱单室截面。
如图1、图2所示,箱梁顶宽15.25 m, 采用双薄壁桥墩,挂篮悬臂浇筑法施工。
3.2有限元分析
采用Midas/Civil有限元程序进行施工过程正装分析计算,得出预拱度相关数值,有限元模型如图3所示。
施工挠度是刚竣工时(二期恒载铺装后)的挠度计算结果,后期挠度值是收缩徐变阶段完成后(竣工10年后)的挠度与成桥时的挠度的差值。图4为进行有限元分析后得到的全桥的后期挠度值。
3.3分段正弦曲线拟合及对比分析
根据得到的全桥的后期挠度值,取其反号,即为成桥预拱度,如图5所示。
由图5可知,成桥预拱度曲线在不同的几个区间内具有不同的上升和下降速度,因此适宜采用分段拟合曲线。由于全桥具有对称性,因此取其一半进行研究,并分别在 [0,25],[25,88],[88,248]三个区间内,利用最小二乘法的原理对成桥预拱度进行曲线拟合。运用专业制图和数据分析软件Origin进行拟合工作,可得出如下曲线模型,如图6～图8,其中x表示沿桥纵向位置,y表示桥梁成桥预拱度。
经拟合,它们的相关系数都在0.99以上,吻合性非常高。其中,各个区间的拟合曲线解析式如下:
(a):
(b):
(c):
4结论
本文论述了在设置成桥预拱度的过程中,使用了分段正弦曲线法来拟合预拱度曲线,其与通常使用的二次抛物线法或者余弦曲线法相比,具有以下优势:
(1)由二次抛物线法产生的成桥预拱度在各墩顶处会出现尖点,导致成桥后桥梁的线性不平顺、不协调,行车的顺畅性与安全性较差;而分段正弦曲线法产生的成桥预拱度在各墩顶处连接光滑,不会出现尖点,成桥后桥梁的线性比较平顺、协调;
(2)按二次抛物线法或余弦曲线法拟合成桥预拱度曲线时,都须根据经验确定跨中最大预拱度后再按相应曲线向全跨分配,在此过程中,有可能需要进行多次分配才能最终确定合适的曲线,步骤较为繁琐;而按分段正弦曲线法拟合成桥预拱度曲线时,仅需用曲线拟合软件将全桥的后期挠度值进行简单处理,即可得到与原挠度曲线吻合程度极高的拟合曲线,步骤简单,方便使用;
(3)按二次抛物线法或余弦曲线法拟合成桥预拱度曲线时,在曲线分配过程中存在着较多随意性;而按分段正弦曲线法拟合成桥预拱度曲线时,计算过程是对所有挠度值进行科学的拟合分析,摆脱了二次抛物线法或余弦曲线法拟合存在的随意性,拟合结果更为合理;
(4)分段正弦曲线法由于能拟合出相关系数很高的曲线,因而按其所设置出来的成桥预拱度能最大限度地抵消由恒载和一半静活载所产生的竖向挠度,使桥梁接近于设计线形,保证了高速行车的舒适性和安全性。
参考文献
[1]张永水,曹淑上.连续刚构桥线形控制方法研究.中外公路,2006;(12):83—86
[2]任玲玲,杨成斌,张伟.梁式桥预拱度曲线的拟合研究.工程与建设,2010;24(4):437—438
[3]左宪章,肖军,董义.关于成桥预拱度设置的处理方法探讨.建筑工程,2011;(05):173
[4]郭玉峰.大跨度混凝土连续梁桥徐变对预拱度设置影响研究.武汉:武汉理工大学,2009
[5]陈海波.大跨径PC连续刚构桥的长期挠度分析.广州:华南理工大学,2011
预拱度设置 篇4
宜万铁路宜昌长江大桥位于宜昌港烟收坝水域, 设计行车速度160 km/h, 全桥长2 446 m, 桥面宽14.4 m, 按双线设计, 主桥采用 (130+2×275+130) m预应力混凝土连续刚构与钢管混凝土拱桥组合结构, 如图1。主梁为单箱双室斜腹板倒梯形截面, 支点截面箱梁高14.5 m, 跨中截面梁高4.8 m。主桥钢管拱拱轴线为二次抛物线, 矢跨比1/5, 矢高52.8 m, 拱肋跨度264 m。主拱拱肋采用平行桁架钢管混凝土组合结构, 每片拱肋由4Φ750 mm钢管混凝土组成, 由横联板、竖向腹杆联结成钢管混凝土桁架[1]。主梁横截面、拱肋立面、拱肋横截面构造, 如图2。
在主桥上部连续钢构施工完成后, 钢管拱在工厂制造并预拼后, 分节段船运至桥位, 由固定式提升站先后将拱节吊装至桥面运输车上, 运输至安装位置, 然后由两台梁上架拱龙门吊机起吊拱节段安放在拼装支架上, 准确对位临时固定, 在梁面上逐节组拼四个半跨钢管拱。最后对两跨拱肋进行先后转体合拢。
2 钢管混凝土拱桥拱肋预拱度设置
在铁路桥梁设计中, 拱桥的恒载为主要设计荷载, 且随跨度增大, 恒载所占比例会进一步增大, 所以设计时多以恒载压力线作为设计拱轴线。但在恒载作用、温度应力、混凝土硬化收缩变形、拱架弹性变形、墩台位移等作用下, 施工时的拱肋轴线会设计拱轴线发生偏离, 因此在拱桥设计时需设置施工预拱度。施工拱肋放样采用的坐标应为设计拱轴线加预拱度值[2]。
拱轴线挠度最大值出现在拱桥拱顶, 而拱顶预拱度值可以根据影响拱轴线的因素及其下沉量的计算方法, 按可能产生的各项数值相加后得到。在计算出拱顶的预拱度后, 通常采用以下几种方法将其分配到拱肋的各节段:
“三角形分配设置法”, 以拱顶截面预拱度为d, 拱脚轴线处为0点 (如图3) , 拱肋各点与拱顶预拱值为线性关系:
“拱轴竖向坐标比值设置法” (如图4) , 拱肋各点预拱度值为:
“按二次抛物线设置法” (如图5) , 拱肋各点预拱度值为:
3 钢管混凝土拱桥拱肋施工控制
大跨钢管混凝土拱桥施工步骤多, 且施工中经历多次结构体系转换, 相应的内力和形变有很大变化, 同时考虑施工荷载、拱肋材料加工等作用, 为确保施工中拱肋截面应力、形变处于安全可控范围, 确保拱肋施工完成后符合设计要求, 施工时建立监控系统非常重要。钢管混凝土拱桥施工监控内容主要包含:变形监控、应力监控、稳定监控等。
变形监控目的是确保拱肋顺利合拢、使拱肋轴线在施工时的状态与设计相符, 或在设计线形额误差在容许范围内, 最终在成桥时线形状态符合设计要求。变形监控的结果以误差容许值为标准, 对于钢管混凝土拱桥, 这里主要给出拱肋几何控制标准, 拱肋变形控制精度一般为:拱顶竖直偏差值<拱肋跨度/4 000;拱肋对称点的高程偏差值≤20 mm。
应力监测主要是确保各施工阶段安全可靠, 随时监控施工中结构实际应力, 通过对关键截面受力情况的监测, 适时发出安全预警以便及时采取措施, 保证结构安全。钢管混凝土拱桥各个拱肋控制界面的应力监控, 是应力监控重点。
稳定监控是为了避免拱桥施工中失稳而引起全桥突然破坏, 在国内外桥梁建设中都曾出现过失稳破坏的例子, 如加拿大魁北克大桥、四川州河大桥等。拱桥拱肋竖转施工时, 除对拱肋自身稳定性监控外, 施工拱架、塔架扣件等稳定监控也是重点。
4 宜万铁路宜昌长江大桥拱肋监控与预拱度设置分析
宜万铁路宜昌长江大桥主桥拱肋施工时, 对拱肋采取全程施工监控, 主要选取拱肋拱脚, 1/8, 1/4和拱顶等控制截面为观测截面, 采用钢钢弦式传感器焊接与拱肋外表面, 监测其变形与应力。
本文主要分析其拱肋变形实际监测结果, 同时采用三种计算方法计算出控制截面预拱度值, 并与设计预拱度值进行比较分析。宜万铁路宜昌长江大桥主桥拱肋拱顶的施工预拱度取值103 mm, 比较分析结果如表1所示。
比较三种方法计算的预拱度值、设计值、实际监测值, 即可发现:“三角形分配设置法”计算过程简单, 但结果粗糙, 误差较大。“拱轴竖向坐标比值设置法”计算结果与设计值、实测值误差非常大。“按二次抛物线设置法”计算结果与设计值、实测值基本一致, 能满足设计要求。
按“按二次抛物线设置法”对钢管混凝土拱桥拱肋各节段预拱度设置, 基本满足设计要求, 以此计算各拱肋控制截面预拱度值对拱肋节段的制作, 拱肋安装以及竖转施工控制有实际指导意义, 也可作为拱肋线形监控的参考。
参考文献
[1]蔡泽.钢管砼梁拱组合结构拱肋受力行为分析[J].铁道勘测与设计, 2010 (4) :67-70.
预拱度设置 篇5
关键词：连续钢构,预拱度,仿真分析,施工控制
目前,国内大跨径连续刚构桥主要存在主跨跨中下挠过大以及桥面线形成波浪形变化等问题。国内已建成的一些连续刚构桥中,出现跨中下挠的桥梁较多,其主要原因有如下几点:
1)混凝土收缩徐变的作用。桥梁在设计过程中,桥梁的设计规范甚至对徐变计算也没有一套比较完善的理论与计算公式,对混凝土的徐变认识不足,在设计中考虑不够,取值偏低,出现的挠度比设计的偏大。
2)纵向钢束预应力的有效性损失。根据大量的工程实例,在对连续刚构桥进行外观检测中发现,孔道压浆有时不够饱满,存在着一些空隙,有时浆体离析。处于跨中的孔道有大量的积水,一经戳破就有水流出。处于这样孔道中的预应力束,在水和空气的长期共同作用下,不可避免地会发生锈蚀,导致钢束有效预应力的降低,同时由于纵向预应力因徐变也会引起预应力的损失,这都将会引起梁体下挠。
3)预拱度的分配线型问题会导致墩顶桥面线形成波浪形变化。因此,有必要结合工程实例,利用有限元软件进行计算分析,对连续刚构桥在施工监控中预拱度的计算进行讨论。
1 影响预拱度因素的分析及计算方法
1.1预拱度的定义
为便于理解,说明预拱度的定义,首先定义桥梁的三种线形:如图1中,设计线形,即设计文件中要求达到的线形;竣工线形,即施工完毕后的线形;运营3年的线形,即后期运营过程中,收缩徐变基本完成时的线形。竣工线形为设计线形加成桥预拱度。设置成桥预拱度的目的,就是使运营3年的线形和设计线形能尽量吻合。
连续刚构桥预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度:设置施工预拱度主要是为消除施工过程中各种荷载对线形的影响。成桥预拱度主要是为了消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活荷载、基础在运营过程中的沉降、运营过程中温度变化等引起的挠度而设置。
连续刚构桥多数采用挂篮悬臂现浇施工,其预拱度的计算公式为
式中: fsi为施工预拱度;fc为成桥预拱度。
1.2施工预拱度的计算
桥梁结构在施工过程中总要产生变形,并且结构的变形将受到诸多因素的影响,极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置(立面标高、平面位置)状态偏离预期状态,使桥梁难以顺利合拢,所以,必须对桥梁进行施工控制,使其在施工中的实际位置状态与预期状态间的误差在容许范围内。施工预拱度公式为
式中: ∑f1i为本阶段块件生成后和以后各阶段挠度累计值;∑f2i为本次浇筑梁段及后浇梁段纵向预应力张拉后对该点挠度影响值;f3i为前期收缩徐变值;f4i为挂篮变形影响;f5i为温度影响;f6i为施工荷载产生的挠度;f7i为体系转换与二期恒载产生的挠度。
1.3成桥预拱度的计算
成桥预拱度
式中: d1为成桥后3年收缩徐变挠度值;d2为活载挠度值;d3为基础沉降引起的挠度值;d4为温度变化引起的挠度值。
2 工程背景
田坝大桥是昭通至巧家二级公路上的一座跨越老店河(属于金沙江流域牛栏江支流)的大桥。主桥上部结构为四跨预应力混凝土变截面连续刚构桥,跨径设置为60 m+ 2×110 m+60 m,如图2所示。箱梁断面采用单箱单室,根部梁高6.5 m,跨中梁高2.6 m,顶板厚25 cm,底板厚从跨中至根部由28 cm 变化为70 cm,腹板从跨中至根部分三段应采用40 cm、65 cm、70 cm三种厚度,箱梁高度和底板厚度按2次抛物线变化。箱梁顶板横向宽12 m,箱底宽度为6.5 m,翼缘悬臂长2.75 m。箱梁0号节段长13 m,每个悬浇“T”纵向对称划分12个节段,梁段数及长从根部至跨中分别为3.5 m、11×4.0 m,节段悬浇总长47.5 m。悬浇节段最大重1 590 kN,挂篮设计自重700 kN。边、中跨合拢段长均为2 m,边跨现浇段长4 m。箱梁根部设两道厚1.2 m的横隔板,中跨跨中设一道厚0.3 m的横隔板,边跨梁端设一道厚1.2 m的横隔板。主梁采用三向预应力,主桥范围桥面铺装层为0.07 m厚的混凝土调平层+0.09 m沥青混凝土,桥面纵坡为2.9%,桥面横坡为2%,设计荷载为公路-I级,合龙温度采用15～25 ℃,分3组温度作用模式:第1组温度作用:结构整体升温20 ℃效应;第2组温度作用:结构整体降温-20 ℃效应;第3组温度作用:结构梯度温度效应,按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)第4.3.10条规定的梯度温度计算。日照正温差T1采用14 ℃,T2采用5.5 ℃,日照反温差T1采用-7 ℃,T2采用-2.75 ℃。基础差异沉降过渡墩按1.0 cm计算,主墩按1.0 cm计算。
3 有限元模型的建立和中跨预拱度的计算
拟通过正装计算,对施工过程模拟,逐段迭加计算。所谓正装计算法是一种以计算桥梁施工过程中的内力、构形,以保证施工的合理与安全为目的的仿真施工过程的计算方法。
下面通过运用“桥梁博士”平面杆系有限元程序(3.0)建立实际模型来说明桥博在连续刚构桥预拱度计算中的应用。利用桥博进行计算一般需要经过:离散结构划分单元,施工分析,荷载分析,建立工程项目,输入总体信息、单元信息、钢束信息、施工阶段信息、使用阶段信息,进行输入数据验算及项目计算,输出计算结果等几个步骤。
按04桥涵规范取弹性模量值,材料容重按设计文件提供的混凝土与钢筋用量进行体积换算。混凝土收缩、徐变计算模式采用现行规范附录F提供的计算公式来计算变形与预应力损失。主梁划分为94个梁单元, 3个主墩划分为118个梁单元;边界条件模拟为:主梁与墩顶刚性连接, 3个主墩墩底固结,过渡墩支座模拟成活动铰支座。有限元模型如图3所示。
在有限元模型计算中,存在一些问题:①有些影响因素产生的位移图并不是中跨跨中最大,可能会是接近中跨跨中位置位移最大;②位移图曲线并不是光滑的曲线。处理方法:把最不利变形考虑到中跨跨中位置,把各影响因素在中跨跨中产生的挠度叠加起来,最后按光滑的曲线向各点分配。表1是运用桥博计算田坝大桥主桥中跨跨中各影响因素的预拱度。由于该桥主跨只有110 m,墩身压缩和墩顶转角位移计算出的结果相当小,温度影响要结合现场考虑,故没列出。
通过计算,中跨跨中的预拱度约为9 cm,考虑如下因素,决定增加2 cm的成桥预拱度:①对混凝土徐变的计算,不论是老化理论、修正老化理论还是规范规定的计算方法,都难以正确地估算混凝土收缩徐变的影响,而混凝土的徐变对桥梁结构成桥后的影响程度还没有得到比较可靠的结论;②运营期间几何非线性与徐变挠度的耦合效应显著;③在桥博计算时,收缩徐变只考虑了1 000天,约3年,对3年以后的收缩徐变没有考虑。所以增加2 cm的成桥预拱度是合理的,最终中跨跨中的预拱度11 cm<
注:表中“+”号表示向上设置预拱度,“-”号表示向下设置预拱度。
4 边跨预拱度的计算
边跨的成桥预拱度,理论计算结果表明,边跨最大挠度一般发生在3L/8处,大小约为中跨最大挠度的1/4。况且,由于大跨径连续刚构桥边中跨比一般在0.52～0.6,桥墩采用柔性墩,在后期运营过程中墩顶将向中跨发生一定的位移。刚构桥墩梁固结,由变形协调可知,转角位移使跨中下挠,边跨上挠。因此,边跨成桥预拱度一般设置较小。
但是,由于现阶段常采取中跨合龙前压重或顶推的方法,使墩顶在成桥时就有一定的向边跨的预偏量。因此,边跨可按理论计算的方法或按照经验设置,在大约边跨3L/8处设置大小约为fz/4的预拱度,故田坝大桥主桥边跨预拱度设置为3 cm.
5 预拱度的分配
目前,计算出中跨跨中或边跨3L/8处预拱度后,其余各点按两种光滑的曲线分配:即二次抛物线和余弦曲线,如图4所示。
两种曲线优缺点的对比:二次抛物线分配能与主梁线型吻合的很好,因为主梁的底板厚和梁高一般也是二次抛物线,因此成桥后线型更美观,但也存在二次抛物线的分配方式将导致成桥后桥梁线形在各墩顶处出现尖点,引起行车不顺畅,而余弦曲线在L/4处为预拱度最大处的1/2,与有限元计算结果吻合较好,但与主梁线型不太吻合,因此在选用线型时,应综合考虑。
根据图4所示坐标系,中跨预拱度二次抛物线方程
中跨预拱度余弦曲线方程
式中:L为中跨跨径,f中为中跨跨中预拱度。
由于本桥主跨较小,主梁梁高线型成二次抛物线形,所以,选择二次抛物线来分配预拱度,全桥预拱度分配曲线如图5所示。
6 施工监控过程中预拱度的控制
连续刚构桥预拱度的控制是通过每个阶段的节段立摸标高来实现的,采用预拱度总量控制,那么梁段浇筑时各节段立模标高为
式中:Hi为待浇筑箱梁底板前端立模标高;H0为待浇筑箱梁底板前端设计标高;f为预拱度值,f挂蓝为挂蓝变形值,Δ为施工调整值。
在这里做两点特别说明:
1)对挂蓝自重及变形的考虑,我们分为已浇筑节段和对现浇节段的影响两部分来分析挂篮的影响。对于已浇筑节段,挂篮自重使其产生弹性变形,挂篮拆除后变形恢复,不必考虑其影响。但此变形对于现浇节段的立模标高会产生影响,设置此节段施工预拱度时应该预先剔除这部分影响。其次,由于本节段刚度还未形成,自重由挂篮承担,在挂篮、节段混凝土自重的作用下,挂篮自身会产生挠曲变形,使现浇节段混凝土也产生与其相同的、挂篮拆除后不可恢复的挠曲变形。因此,必须计入这部分的影响;其值一般由现场挂篮预压试验确定。
2)施工调整值。在施工过程中对施工监测所得的结构参数真实值与理论计算值进行对比,对产生的误差进行识别、修正,以此来保证成桥后桥面线形、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值。因为在施工过程中,混凝土的实际弹模与计算时取值肯定有区别,时间因素导致悬臂端的收缩徐变有较大差别,临时荷载和温度等影响因素都影响着桥梁标高的变化。
7 结束语
本文以田坝大桥为例,可得出两点结论:
1)设置预拱度必须考虑一期恒载、二期恒载、预应力效应、挂蓝变形、后期收缩徐变、活荷载的影响。
2)连续刚构桥的线型必须进行施工监控。田坝大桥按本文的预拱度进行立模标高控制,通过在施工中进行调整,实现了跨度110 m无强迫合拢,最大悬臂时合拢段两端高差仅9 mm,符合最大悬臂时合拢段两端高差控制在±2. 0 cm以内规范要求。实际桥梁在施工期间扰度变化较为复杂,在最终营运期(或设计基准期) 扰度变形因无现成的例子可供参考,结合我国的交通运输情况,预拱度设置在计算的基础上可以适当加大。
参考文献
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连续刚构桥的预拱度计算 篇6
目的是研究连续钢构桥施工阶段预拱度的设置和计算问题, 这是现在桥梁发展一个很好的设计问题, 可以帮助我们解决很多跨径上的问题。随着科学技术和交通事业的发展, 预应力混凝土连续梁桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速发展, 在主跨100~300m范围内几乎成为首选桥型。但由于它出现较晚, 其理论和经验还不十分完善, 在修建过程中也存在一些技术上的问题。在现代桥梁施工中, 施工监制技术是工程施工安全和内在质量的保证, 正确计算和设置施工过程参数已成为大跨径桥梁施工领域重要研究课题之一。如今我国修筑好的很多桥梁都出现了严重的稳定性不足的问题, 有的甚至在还没有达到规定年限就已经倒塌, 而往往造成倒塌的原因就是施工不足, 例如:没有按照施工要求配钢筋、工作人员本身的知识缺乏、施工中的技术不成熟。因此使得很多的桥梁早早就失去了承载能力。故施工技术应是重中之重, 我们要不断的追求和探索对于桥梁施工有利的施工技术来造福我们的桥梁事业。
正文
在阅读过大量文献后, 令我颇有感受的是在连续钢构桥施工阶段施工预拱度的计算中有很多方法不同的研究成果, 都是我很好的参考对象。近年来, 在大跨度桥梁的施工过程中, 由于跨度大所以施工难度大且工程造价高, 因此在对施工控制就显的十分重要。一方面, 大量新材料、新工艺和新技术被引入至桥梁设计环节, 造成在实现设计文件要求的过程中, 不可避免地受到很多确定和不知道或是分不清的因素的影响, 使得施工过程中的实时监测、调整和预测显得格外重要;另一方面, 桥梁施工加载的过程中, 我们可以应用膺架施工方法、挂篮施工法或者顶推法。但是不管我们使用上述的哪种方法, 只要桥梁是连续梁桥, 那在其自身的构造特性的影响下, 在全桥的施工工艺过程中到最后合拢完桥还有转换问题也是在第一期桥梁工作阶段存在整体桥梁结构的转换问题。从而演变成内力和位移会随着桥梁结构的状态变化而发生相应的转变。
下面简单介绍灰色系统理论, 它是以联系空间为基础的分析体系, 在原有的数据基础上, 通过灰色过程以及灰色生成对原有的或是原来的数据进行处理, 将原来数据整理成具有规律性较强的数列, 后建立灰色模型来分析和预测接下来发展的形势, 梁挠度的变化发生在连续桥梁的每一个施工节段。因此我们可以根据每一个施工阶段前后梁端挠度的真实测值和理论模拟值建立灰色人为模拟的模型, 来分析和预测下一阶段梁段的挠度变化, 从而得到桥梁在设计中的标高。
以上述理论作为我们的理论依据, 通过施工阶段每一个的影响因素, 选择有灰色信息特征的原始数据, 建立4参数控制模型。在桥梁的实际施工中, 对前4个现浇块给出理论计算预拱度以及工程中经验预拱度, 对4个块中每个块段进行观测记录, 于是可以形成GM (1, 1) 数据序列:
式中:i=1、2、3、4;Xi (0) 为实测标高数据的原始序列;Xi (0) (1) 为1号块实际测量的标高, 依此类推, Xi (0) (2) 、Xi (0) (3) 、Xi (0) (4) 分别为2、3、4号梁段和1号相同都为实际测量的标高值.
式 (1) 的数据经1-AGO后形成数列:
Xi (1) 可建立下述形式的微分方程:
按照最小二乘法求解:
进行梁段的预拱度进行计算可以运用该公式, 最后只要满足精度后就可以作为最终的结构预拱度。
对于预拱度的控制理论研究:在进行连续刚构桥的施工阶段主要分为: (1) 施工挂篮向前移动; (2) 混凝土的现场浇筑; (3) 预应力张拉3个阶段。挂篮向前移、搭建模的标高主要分为: (1) 桥梁成型后的设计中的标高; (2) 在施工阶段由于各个因素引起的预变位; (3) 成桥后汽车、人群等活荷载引起的预抛告 (4) 施工过程中由于力的作用挂篮体系变形值及根据经验增加的附加预拱度。混凝土浇筑后的标高我们主要用在已建成结构的标高校对和核查, 在此基础上对马上要建力的结构模型参数进行对比优化很分析。而其中预应力张拉后的标高被用于校对核实测数值与数值模拟值间的差异, 最终可以得出模型计算参数是不是合理, 模型预应力损失与实际间存在的差别, 从而对模型进行修正。
大跨预应力连续梁桥结构在施工过程大多采用悬臂施工, 因为悬臂施工是分阶段施工, 后一阶段的施工荷载会影响前一阶段成型结构产生力的作用引起弹性变形, 而本此施工阶段节段在成为结构后已经完成了本身静载的变形, 对后一节段不产生影响。此过程中由施工荷载引起的预拱度应按式 (1) 进行。
预应力连续刚构桥预拱度主要包括施工过程中预拱度、成桥后预拱度及人人为附加上去的预拱度。施工预拱度主要是通过正装计算、施工过程模拟, 每一段预拱度的叠加计算。影响施工预拱度的因素主要包括有一期恒载、预应力、二期恒载、结构体系转换。其中挂篮变形、前期收缩徐变、墩身压缩、温度影响、墩顶转角位移及施工荷载也是影响因素。成桥预拱度主要包括后期1/2活荷载及收缩徐变。
式中H为该点在设计时设置的理论标高;f1为本次和后面各浇筑箱梁段对该点挠度产生的影响值, 其中有箱梁节段自身的重量、预应力张拉效果产生的效应、混凝土收缩徐变、结构体系转换、二期恒载等影响;f2为挂篮弹性变形对该点挠度影响值;f3为成桥后列车活载等对该点挠度影响值;f4为根据专家经验设置的附加预拱度, 暂定将跨中最大附加预拱度设置为跨度的1/3000, 其余节段按设计的2次抛物线插值计算。以上参数在施工控制过程中, 多依据现场反馈实测值与有限元数值分析值, 采用最小二乘法、卡尔曼 (KALMAN) 滤波法等理论进行修正和预测, 最终获得最佳预拱度。
结论
预应力连续箱梁桥悬臂施工是一个非平稳的随机过程, 可以看成是一个灰色过程。大桥按照理论施工合理预拱度顺利合拢, 最大合拢误差在1cm内, 且成桥跨中标高略高于设计线性约4cm左右, 满足后期行车及混凝土材料收缩徐变造成跨中下挠储备要求。本文只是很简单的施工预拱度的研究, 只考虑了预应力和桥梁自身重力的影响, 对于温度汽车荷载等因素考虑的不够全面。设计还有很多不完善的地方, 还需要我的不断学习不断努力来修正。
悬臂挂篮技术在我国桥梁建设中被广泛地运用, 因为它不仅能够从根本上提高桥梁的施工效率以及施工质量, 还能降低桥梁施工的难度。但是因为悬臂挂篮施工技术中高空作业已经是家常便饭, 加强对施工人员人身安全的防护, 对悬臂挂篮施工技术以及安全措施的处理还需要我们进行严格的控制。
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预拱度设置 篇7
1#桥位于凯里市玻璃厂至下司段，是凯里滨江路的关键工程。主桥为预应力混凝土连续梁桥结构，全长253.2米，跨度组合为2x (4x30) m，桥梁宽为2.5米人行道+10米车行道+0.5米防撞护栏=13米。第二联位于参数为R=1000, T=29.13, E=0.42的竖曲线上。主梁为单箱双室预应力混凝土箱梁，梁高1.5米，顶宽13米，底宽8米，悬臂宽2.5米。全桥桥墩为圆柱形桥墩，基础为桩基础，且地形横坡较大。采用支架现浇法施工。本文就1#桥大桥的桥型特点，进行了建模计算分析了主梁在施工及运营各阶段的预拱度及应力分布情况，并针对竖曲线对预拱度和应力的影响进行了重点研究分析对比。
1. 线形控制与应力控制
1.1 线形控制
在施工过程中，线形的控制是通过正确的设置预拱度，控制模板的高程来完成的，其目的是全桥竣工一段时候后，桥梁的最终线形与设计线形相一致。
箱梁浇筑过程中，由于梁体混凝土重量、龄期、几何特征均在不断的变化，并接受施工荷载，混凝土收缩徐变及温差产生的内力影响，使梁体各截面的内力和位移都发生了相应的变化，所以浇筑箱梁的最大难点是挠度计算和控制—线形控制。施工现场采取的主要控制措施如下：
(1)建立观测制度，提高测量精度，及时准确地实施并检查平面控制测量和高程控制测量，对梁段高程和中轴线高程进行测量时，若现场实测值与计算值误差超过15mm(高程)、5mm(中轴线偏位)时，进行复测。若仍超过误差限值，重新计算并分析原因。
(2)对现浇的每段梁施工进行跟踪观测，发现实测值与计算值有较大差别，及时纠偏，及时在下节段适当调整，使结构挠度偏差设计值之误差控制在最小范围内。高程控制强调梁纵向曲线的顺滑，即使在某个阶段实际高程与理论计算值不一样，也不必强行在下段梁施工中立即全部调整过来，可以在以后几个阶段的施工中逐步调整。
(3)重视施工荷载计算和保持施工荷载稳定，重视立模高程的计算和实测、施工气温的把握。重视对相关实测参数的收集整理、汇总并与计算值对比分析。务必控制好施工荷载总量不变。
1.2 应力控制
对预应力混凝土连续梁桥，成桥后的应力和各施工阶段的应力计算是受诸多复杂因素影响的，主要包括：钢筋混凝土材料的非均匀性和材料性质的不稳定性，计算中各设计参数的选取等因素的影响，实际应力与计算很难完全吻合，计算应力不能精确的反映实际应力状态。因此在实际中一般都是通过将实测数据进行系统识别、误差分析进而掌握真实应力状态，进一步完善桥梁设计。
连续梁桥主梁不同截面的应力及同一截面上下表面的应力都随工况不断变化，建模时应考虑主梁浇筑过程的状态，按静定结构考虑应力控制截面。
2. 竖曲线的影响
2.1 模型的建立
在进行有限元分析时，根据实际桥梁的结构特点进行建模分析。连续梁桥可按照平面梁单元进行分析。针对1#桥的结构特点、设计要求和施工方法，并结合目前同类桥梁的施工控制经验，本桥采用大型有限元软件桥梁博士软件进行分析。计算模型如下：
将全桥分为86个单元，87个节点。约束如下表：
在计算中考虑如下因素：
2.1.1 荷载因素。
由于施工过程比较复杂，所以对施工过程进行仿真计算时考虑的荷载因素也较多，主要有：梁体自重、预应力荷载、混凝土徐变和收缩、温度变化、风荷载、基础沉陷、二期恒载及桥梁营运阶段的活载。这些荷载均直接影响施工过程的仿真计算。
2.1.2 结构参数的确定。
为使计算模型的结构参数尽量符合施工实际情况，能实测的参数现场测定，难以定量的参数根据设计规范及经验进行确定。本桥结构参数取值建表2:
2.2 竖曲线对预拱度设置的影响分析
理论而言，考虑竖曲线计算，结果更为精确，但计算步骤复杂。本模型计算了不考虑竖曲线时主梁预拱度值并与实际考虑竖曲线影响时主梁的预拱度进行对比分析如下图2:
因结构对称取1/2节点绘图如下：
从图中可以得到：桥梁位于竖曲线上时，各点对应的预拱度有所增大，最差值最大的位置接近第一跨跨中位置处，最大值达6.2mm。可见，实际桥梁按无竖曲线计算误差较大，约为不考虑竖曲线预拱度的22.1%。故在桥形竖曲线线形及车速要求较高时，桥梁进行预拱度分析和设置应考虑竖曲线的影响。
2.3 竖曲线对截面应力计算的影响分析
计算并比较考虑竖曲线与不考虑竖曲线情况下，承载能力极限状态下主截面应力，如下图3所示：
图3为成桥后运营阶段各节点上下缘的应力差值。应力差是有竖曲线的节点应力减去无竖曲线的节点应力得到的结果。可以看出：在竖曲线的影响下，主梁上缘的应力有所减小，应力减小约为0.31MPa，约为考虑竖曲线的节点应力的2.1%;主梁下缘的应力则有所增加，增大值约为0.38MPa约为考虑竖曲线的节点应力的2.7%。
从应力结果看，不考虑竖曲线引起的误差很小，在5%以内，这种计算误差在工程中是允许的。而不考虑竖曲线影响主梁施工运营各阶段应力计算更为简便。故可认为，在实际桥梁施工运营的应力计算中，可忽略竖曲线对应力的影响。
3. 小结
通过对1#桥的计算分析，可以得到以下结论：
3.1 对于跨度较大的预应力混凝土梁桥，竖曲线对预拱度的设置有一定的影响，不计入竖曲线计算预拱度误差高达22%。在对桥梁高程及线形控制严格的工程中，竖曲线的影响较大，应按有竖曲线计算，使成桥后的线形满足设计线形的要求。
3.2 施工及运营过程中，应力变化较大，但竖曲线对各阶段各节点的应力影响较小，在2%～3%之间，满足实际工程需要安全需要。因此在实际桥梁施工运营的应力计算中，可忽略竖曲线对应力的影响。