顶推施工桥梁设计研究

庞国英 PANG Guo-ying

（台州市公路管理局，台州 318000）

摘要：针对分别采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85）设计的顶推施工连续梁桥进行确定性和可靠性对比分析，通过有限元程序对成桥阶段选取的典型截面可靠指标进行计算。结果表明，确定性分析和可靠性分析结果有不同的规律，不能单从确定性分析结果的大小来判断结构安全储备，需对确定性分析与可靠性分析同时考量，方能实现对桥梁结构准确、合理的评价与判断。

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关键词 ：连续梁桥；顶推施工；规范；确定性；可靠性；可靠指标

中图分类号：U448.21+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0227-04

作者简介：庞国英（1963-），女，浙江台州人，高级工程师，路桥专业，长沙理工大学本科，主要从事公路桥梁管理方面的工作。

0 引言

预应力混凝土连续梁桥采用顶推施工在世界各地颇为盛行。连续桥梁顶推施工是在以桥梁纵轴方向后台为预制场地的区域分节段预制混凝土梁体，并通过纵向预应力筋联结为一体，最后通过由不锈钢板、聚四氯乙烯板、千斤顶等设备组成的滑动装置将其向对岸顶近，使其就位于更换支座后落架等位置，完成桥梁施工。顶推法施工费用较低、施工平稳、无噪声，可在水深、山谷和高桥墩上采用，也可用于弯桥和坡桥。主梁分段预制，连续作业，结构整体性好。顶推法宜在等截面连续梁桥的施工中采用，多用于中等跨径，推荐顶推跨径为40～60m。随着高等级公路的不断发展，顶推施工在连续桥梁建设中得到了广泛应用，其能有效提高施工效率，改善桥梁行车舒适性。

顶推施工法作为现代连续桥梁施工的主要手段，适用范围广泛、工艺方法简便、理论技术成熟。就目前来看，国内外学者针对顶推施工技术建造的连续桥梁进行了诸多系统评估，但仍仅停留于确定性分析层面，缺乏桥梁可靠性分析。同时，由于在役桥梁、新建桥梁使用阶段与施工阶段的受力安全可靠性评估主要依据两个规范，其中，在役桥梁主要依据《公路混凝土钢筋及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85），新建桥梁主要依据《公路混凝土钢筋及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004），这两项规范在抗力、材料型号强度与荷载模型等具体内容方面有所差异，致使同一桥梁不同阶段可靠性指标计算值也有所出入。本文中，笔者将就上述问题以实桥为模型依托展开论述，通过运用两种规范限定的荷载组合、荷载统计参数与抗力参数，对顶推施工连续桥梁可靠性与确定性进行指标计算、对比，以期客观、综合评价该类型桥梁，并为其设计、施工、加固、维护提供理论参考。

1 实桥资料

某采用顶推法施工的连续梁桥是高速公路上的一座预应力混凝土连续梁桥，结构安全等级为一级，全桥一联，设计总长180m，跨径布置为30m+40m×3+30m，导梁总长25m，与主梁跨径之比为5/8，边跨跨径为29.25m，边墩中心距梁端0.45m，桥面总宽25m，布置2×（净11+2×护栏0.5m）+1m中央隔离带。基桩直径1.5m，墩柱直径1.6m，桥梁下部构造为双柱式桥墩及基桩。桥梁立面平面如图1所示。

单幅桥面总宽为12m，主梁顶板宽度为12m，总宽包含两边各0.5m的防撞护栏及中间净11m的行车道。单幅桥主梁采用单箱单室等截面箱梁，梁高为2.5m，H/L=1/16。箱梁顶板翼缘端厚度15cm，根部厚度55cm腹板厚度32cm，底板厚为27.5cm，顶板厚为25cm，支点部位底板加厚至55cm。桥梁中墩墩顶各有一道厚0.8m的横隔板，横隔板上有过人洞。梁端各有厚0.5m的横隔板。主梁横断面构造如图2所示。

2 有限元建模

桥梁是一个相对复杂的空间结构，本文将采用有限元程序进行计算。其中石桥边跨计算跨径29.55m，为简化运算取30m。通过统计分析，全桥共可划分为73个节点、72个单元，单元长度为2.5m，主梁节点编号为11到83。本例实桥单元划分如图3所示。

预应力混凝土连续桥梁理论上由C50或50混凝土、预应力钢筋及普通钢筋建造而成，在85和04版本的设计规范中，上述3种材料型号强度限定略有区别。本例实桥，主部按04规范设计建造，其中主梁拟采用50号混凝土，预应力钢筋采用标准强度为1860MPa，直径为15.2mm，断面面积为140mm2的低松弛高强度钢绞线，普通钢筋采用HRB335带肋钢筋代替Ⅱ级热轧螺纹钢筋、HPB235光圆钢筋代替代替Ⅰ级热轧光圆钢筋。

计算汽车荷载时，桥梁单向车道车道数量为3，桥面宽度为12m，根据04规范，设定3车道横向折现系数为0.78，根据85规范，按三行车队布载，车队总荷载可酌折减20%。考虑到汽车非匀速行驶中，箱梁扭转作用及偏载作用，荷载内力提高10%，依据85规范与04规范，计算参数见表1。

3 荷载统计参数

道桥承受的荷载除恒载、动载、活载等常规荷载外，还涵盖环境荷载（即风力、温度、地质影响下的荷载）以及其他变化外力影响的特殊荷载（如碰撞、制动力条件下的荷载）。本例荷载模型以实桥调差统计数据以及仿真模型分析数据确定，荷载统计参数所取随机变量的数字特征为均值或偏差系数与变异系数，变化趋势以累积分布函数表示。

桥梁荷载中的活载指正常情况下通过车流产生的荷载，恒载指桥梁自体永久作用于结构、由结构单元和非结构单元自重产生的荷载。本例分别根据85规范和04规范中规定的荷载统计参数（见表2），考虑活载静力以及非匀速行驶冲击效应，其中冲击效应以静力乘以冲击作用系数表示，二者统计数据一致。

4 抗力统计参数

抗力是指由建造材料、几何结构、施工工艺、环节控制、设计尺寸、模型分析等不确定因素影响的结构承受荷载能力，其分布类型直接取决于钢筋、混净土等材料的概率分布函数，其具体数值多为对数正态分布。

承载能力系数由主要部分截面实际承载能力与理论限定承载能力绝对值大小之比得到，数值大于1。本例，分别依据04规范和85规范设计的预应力混凝土支架即时浇筑施工连续桥梁主部正截面的可靠指标分析抗弯承载能力。假定两规范抗弯承载能力统计参数一致，见表3所示。

5 荷载组合

本文主要依据荷载组合以及承载能力对顶推施工连续桥梁承载能力可靠度展开有效性分析，其中，承载能力极限状态，在89通规下选取何在标准值与荷载安全系数乘积为设计代表值，04规范下参考结构重要性系数与冲击力（温度）作用效应分项指标系数两项，以组合系数与作用标准值乘积来计算效用组合设计值。

承载能力荷载组合依据04年《通规》：

Md=1.2预加力次内力+1.4汽车荷载效应（含冲击力）+0.98温度作用效应+1.2结构重力效应

承载能力荷载组合依据89年《通规》：

Md=1.3汽车荷载效应（含冲击力）+1.3（预加力次内力+温度作用效应）+1.1结构重力效应

其中Md为抗弯承载能力极限状态下作用效应组合设计值。

6 确定性和可靠性分析

可靠度分析是指采用失效概率函数表达的可靠度指标对桥梁结构性能进行评估的方式。其中，抗力与荷载为随机变量，其统计参数由前所述两项规范中得到，依据桥梁荷载与设计结构，建立结构性能承载能力极限状态函数，通过计算评价结构可靠度。

极限状态功能函数为：

g（R，Q）=R-Q （1）

其中，Q为荷载需求或效应，R为抗力。

若极限状态函数g结果值大于0，结构安全，小于0，结构失效。所以，失效概率为极限状态功能函数小于0的概率：

Pf=P（R-Q<0）=P（g<0） （2）

以可靠指标反映结构失效概率，则可靠指标与失效概率关系为：

式中，σR、σQ分别为抗力与荷载效应标准差，μR、μQ分别为抗力与荷载效应均值。

上例以混凝土预应力连续桥梁正截面抗弯承载力建立极限方程，从而评估顶推施工预应力混凝土连续桥梁基础结构可靠性水平。其中，预应力混凝土桥梁结构以半桥截面特征为准，计算结果见表4。

根据表4计算结果分析可知：

①恒载作用效应：由于85规范与04规范限定混凝土与预应力钢筋容重相同，主部结构刚度一致，半桥截面预应力次内力按刚度分配，故85与04规范计算结果相同。

②预加力次内力：由于04规范下的预应力损失值比85规范下计算结果小，永存预应力比85规范下计算结果大，故04规范下计算的预应力次内力数值比85规范计算结果高5%。

③作用组合效应： 04规范下计算的墩顶截面作用效应组合值相较于85规范下计算结果稍小，04规范下计算的跨中截面作用效应组合值相较于八五规范下计算的结果稍大。

④温度效应：04规范化下计算的温度效应较85规范下结果多75%左右。

⑤汽车荷载效应：04规范下计算的汽车荷载效应相较于八五规范下的计算结果大25%左右。

⑥抗弯承载能力：除04规范下31半桥截面主部结构抗弯承载能力相较于85规范下计算的结果稍小，其余截面按04规范计算的抗弯承载能力均比85规范下的计算结果稍大。

⑦可靠指标：除04规范下计算的23截面可靠指数相较于85规范下计算结果稍大外，其他指标值在04规范下所得截面可靠指标均相较于85规范下计算的结果稍小。

⑧安全系数：04规范下计算的墩顶截面安全系数相较于85规范结果略大，04规范下计算的跨中截面安全系数相较于85规范下计算结果稍小。

⑨结构安全性：结构安全等级为一级的结构安全性目标可靠指标值为5.2，在04规范下，31截面可靠指标值小于目标可靠指标，而85规范下其余结构截面可靠指标值均大于目标可靠指标，由此可见，04规范计算结果偏于保守，而85规范计算结果对安全性的评估偏于不安全。

7 结论

依据85和04规范对顶推施工的预应力混凝土连续梁桥进行确定性和可靠性分析比较，结论如下：

①从结构安全性评估来看：04规范计算结果相对保守、严谨，85规范计算结果对结构安全性的评估偏于不安全。

②从可靠性分析对比来看：04规范下可靠指标计算值相较于85规范下计算值略小。

③从确定性分析对比来看：04规范下计算的荷载效应基本较85规范下计算值大，04规范下的抗弯承载能力基本较85规范下的计算值稍大，04规范下作用效应组合跨中截面的抗弯承载能力基本较85规范下的计算值稍大，但墩顶截面计算值稍小，安全系数取04规范计算的抗弯承载能力基本较85规范下稍小。

④从确定性分析与可靠性对比分析来看：多数情况下安全系数大的截面结构可靠指标相对较大，但亦有例外，故不能仅从安全系数计算值来判断桥梁截面安全稳定能力，需结合可靠性与确定性计算，才能对桥梁设计结构的安全性进行相对准确、合理的判断。

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