大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變效應(yīng)計(jì)算

摘 要：本文以龍?zhí)逗犹卮髽驗(yàn)閷?shí)例，運(yùn)用橋梁博士軟件建立有限元模型，計(jì)算分析收縮徐變效應(yīng)分析，對(duì)該橋在施工過(guò)程中及成橋后的變形做出預(yù)測(cè)，分析比較了各種工況下的預(yù)測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；收縮徐變；變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2013） 14-0000-03

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工往往采用分段現(xiàn)澆的施工方法。而超靜定結(jié)構(gòu)橋梁從施工狀態(tài)到最終運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，將發(fā)生一次或多次計(jì)算圖式的變換（簡(jiǎn)稱(chēng)體系變換），在施工過(guò)程中及體系變換過(guò)程中的變形和內(nèi)力都將發(fā)生變化，其中包括彈性變形以及混凝土收縮徐變引起的塑性變形。在施工過(guò)程中，每節(jié)段混凝土的齡期、荷載、幾何特征都在不斷變化，因而收縮徐變所引起的各施工階段的應(yīng)力及撓度也將發(fā)生相應(yīng)的變化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有較大的影響。本文以湖北龍?zhí)逗犹卮髽驗(yàn)閷?shí)例，運(yùn)用橋梁博士軟件建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行施工過(guò)程的模擬計(jì)算，分析了各施工階段收縮徐變的影響，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。

一、工程概況

龍?zhí)逗犹卮髽蛭挥诤笔∫瞬虚L(zhǎng)陽(yáng)縣境內(nèi)，是滬蓉西高速公路上的一座特大型橋梁。主橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)體系，跨經(jīng)組合為106m+200m+200m+200m+106m。橋面總寬度25m，設(shè)計(jì)為雙幅，單幅箱梁頂面全寬12.5m、底面全寬6.5m。梁體采用1.8次拋物線變截面分離矩形箱梁，梁高從跨中3.5m漸變至墩梁固結(jié)處的12m；腹板厚度從跨中0.40m漸變至墩梁固結(jié)處的0.70m；底板厚度從跨中0.32m漸變至墩梁固結(jié)處的1.10m；頂板厚度0.28m。主橋橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用雙肢變截面矩形空心墩，肢間凈距9m；其中最高墩高達(dá)178m，為同類(lèi)型橋梁中世界最高（見(jiàn)圖1）。

二、計(jì)算模型與工況

（一）計(jì)算模型

運(yùn)用橋梁博士軟件，采用平面梁?jiǎn)卧凑帐┕ろ樞蚍蛛A段建立橋梁計(jì)算模型。全橋共分為96個(gè)施工階段、417個(gè)梁?jiǎn)卧＿吔鐥l件：墩底固接，兩邊跨端部設(shè)置豎向支承。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。主要計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1

（二）計(jì)算工況

本文考慮了兩種工況，工況1：考慮橋梁施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的收縮徐變，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析；工況2：不考慮橋梁施工階段與運(yùn)營(yíng)階段的收縮徐變，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。由于橋梁博士軟件在計(jì)算分析時(shí)，可以計(jì)算收縮徐變和不計(jì)算收縮徐變，即考慮混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和不考慮收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。本章在分析時(shí)將采用對(duì)比的分析方法，將工況1和工況2兩種工況與進(jìn)行對(duì)比，從而得出分析結(jié)論。在計(jì)算分析之前列出計(jì)算荷載與計(jì)算齡期。在施工階段兩種工況下的計(jì)算荷載是相同的，均考慮結(jié)構(gòu)自重、施工設(shè)備荷載（包括掛籃荷載）、預(yù)加力。在運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算理論預(yù)拱度時(shí)，需進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段的分析。運(yùn)營(yíng)階段考慮的荷載為結(jié)構(gòu)自重、汽車(chē)活載、預(yù)加力、混凝土徐變與收縮、支座位移。

三、撓度計(jì)算結(jié)果及分析

（一）懸臂施工階段

表2列出大懸臂階段的幾個(gè)節(jié)段實(shí)測(cè)的撓度值，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的時(shí)間，為澆注混凝土階段的撓度，一般在養(yǎng)護(hù)1天后測(cè)量。由于第19號(hào)節(jié)段以前的節(jié)段澆注后撓度不大，19號(hào)塊之前的撓度就沒(méi)有列出來(lái)。表2列出了第19號(hào)節(jié)段到第22號(hào)節(jié)段的兩種工況下的理論計(jì)算數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

由表2數(shù)據(jù)可知，工況1與實(shí)測(cè)值最大相差只有4.1mm，而工況2與實(shí)測(cè)值最大相差達(dá)到13.7mm，最大差值都發(fā)生在第22號(hào)節(jié)段。因此可以知道考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)，單階段撓度理論值與實(shí)測(cè)值符合較好，不考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)，單階段撓度理論值與實(shí)測(cè)值相差比較大，由此可見(jiàn)在施工階段混凝土的收縮徐變對(duì)“T”構(gòu)箱梁懸臂端的撓度影響較大。同時(shí)可以得知，在施工階段，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)梁橋，跨徑越大收縮徐變對(duì)最大懸臂節(jié)段撓度的影響也就越大。又由于大跨徑橋梁的跨徑越大，在懸臂階段撓度也就越大，為了得到合攏后橋梁上構(gòu)的良好線形，在施工監(jiān)控和施工過(guò)程中就必須考慮混凝土的收縮徐變對(duì)懸臂節(jié)段撓度的影響，因此必須對(duì)混凝土的收縮徐變?cè)谑┕るA段對(duì)橋梁的上構(gòu)撓度的影響加以重視。

（二）成橋階段

圖3～圖6分別給出了成橋后橋梁上構(gòu)各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間段內(nèi)由混凝土的收縮徐變引起的撓度變形。圖中節(jié)點(diǎn)由宜昌方向向恩施方向編號(hào)，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)為右5號(hào)墩宜昌肢梁端頭，54號(hào)節(jié)點(diǎn)為5號(hào)墩與6號(hào)墩之間的次中跨，106號(hào)節(jié)點(diǎn)為中跨，158號(hào)節(jié)點(diǎn)為7號(hào)墩與8號(hào)墩之間的次中跨，212號(hào)節(jié)點(diǎn)為恩施肢梁端頭。

由圖3～圖6可以知道，在兩種工況下橋梁上部結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)撓度差別明顯，就整體趨勢(shì)而言，工況1的撓度要比工況2的大。但兩種工況撓度走向基本一致，中跨合攏段在成橋后單階段撓度最大，工況1成橋三個(gè)月中跨跨中撓度為2.28cm，工況2成橋三個(gè)月中跨跨中撓度為1.44cm，工況1是工況2的1.58倍。工況1成橋一年中跨跨中撓度為5.90cm，工況2成橋一年中跨跨中撓度為3.32cm，工況1是工況2的1.77倍。工況1成橋三年中跨跨中撓度為7.87cm，工況2成橋三年中跨跨中撓度為4.14cm，工況1是工況2的1.90倍。工況1成橋十年中跨跨中撓度為12.59cm，工況2成橋一年中跨跨中撓度為5.54cm，工況1是工況2的2.27倍。因此跨中撓度在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中必須給予重視。

四、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

從圖7可以看出，中跨箱梁懸臂根部截面頂板應(yīng)力的大小隨著施工階段的進(jìn)行而呈遞增變化，直至完成 19號(hào)（圖中60階段）懸澆塊段的時(shí)候開(kāi)始逐漸變小，而在中跨合攏（圖中70階段）后的應(yīng)力大小變化幅度相對(duì)比較大，約減小20%左右。合攏后由于結(jié)構(gòu)由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生了變化，懸臂梁根部截面底板應(yīng)力增大，因此在該階段（70階段）應(yīng)力值比前一階段（最大懸臂階段68階段）大，在次中跨和邊跨合攏施工階段，中跨箱梁根部截面頂板應(yīng)力基本保持不變。在整個(gè)施工階段由于受收縮徐變等因數(shù)的影響，跨中預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而根部截面頂板壓應(yīng)力有所減小。圖中反映出考慮收縮徐變時(shí)頂板應(yīng)力比不考慮收縮徐變時(shí)小，而且隨著施工階段的推進(jìn)兩者差距有相對(duì)變大的趨勢(shì)，完成16號(hào)（圖中50階段）懸澆節(jié)段后的差距就更為明顯，兩者最大差距35.5%（圖中90階段），所以收縮徐變對(duì)懸臂梁根部截面頂板應(yīng)力的影響還是非常大的，在橋梁設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中應(yīng)加以高度重視。

從圖8可以看出，中跨懸臂梁根部截面底板應(yīng)力隨著施工階段的進(jìn)行有不斷增大的趨勢(shì)。在前3個(gè)懸臂澆注節(jié)段的施工中，底板應(yīng)力由于頂緣預(yù)應(yīng)力的張拉而呈輕微受拉狀態(tài)，但隨著施工懸臂塊段的增加，懸臂梁根部截面底板應(yīng)力呈受壓狀態(tài)，并隨著施工階段的進(jìn)行呈增大趨勢(shì)，直到中跨合攏，合攏后由于結(jié)構(gòu)由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，懸臂梁根部截面底板應(yīng)力減小，因此在該階段（70階段）底板壓應(yīng)力值比前一階段（最大懸臂階段68階段）小。在次中跨和邊跨合攏施工階段，中跨箱梁根部截面底板應(yīng)力基本保持不變。在運(yùn)營(yíng)階段由于受收縮徐變等因數(shù)的影響，跨中預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而根部截面底板壓應(yīng)力有所增加。同時(shí)從圖8可以看出，考慮收縮徐變和不考慮收縮徐變對(duì)懸臂梁根部截面底板應(yīng)力的影響不是像頂板那么明顯，考慮收縮徐變時(shí)的底板應(yīng)力比不考慮時(shí)的稍微大了一點(diǎn)，但所占比例非常小。

五、結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論：（1）收縮徐變對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)撓度影響比較大，特別是在成橋運(yùn)營(yíng)階段，收縮徐變對(duì)跨中節(jié)段的撓度的影響最大。混凝土的齡期對(duì)混凝土收縮徐變有很大的影響，混凝土的收縮徐變隨其齡期的增長(zhǎng)而增加，但是混凝土的收縮徐變速率隨齡期的增長(zhǎng)而急劇減小，成橋后，在三個(gè)月以內(nèi)收縮徐變?cè)鲩L(zhǎng)速率很快；三個(gè)月以后，收縮徐變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸減小，一年以后，收縮徐變?cè)鲩L(zhǎng)的速率更小；甚至十年齡期以后還能觀測(cè)到收縮徐變?cè)谠鲩L(zhǎng)，成橋后短時(shí)間內(nèi)收縮徐變速率發(fā)生得比較快，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，收縮徐變的速率變慢；（2）收縮徐變對(duì)懸臂梁根部截面頂板應(yīng)力的影響非常大的，對(duì)懸臂梁根部截面底板應(yīng)力影響不大。混凝土的收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的變形有明顯的影響，如果不計(jì)入混凝土收縮徐變的影響，則會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算結(jié)果帶來(lái)不可忽視的誤差，造成主梁線形的偏差和受力的不安全性。因此，計(jì)算中必須計(jì)入混凝土收縮徐變的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]高政國(guó)，趙國(guó)藩.混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力分析的全量方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，8（4）：10-14.

[2]方輝，沈蒲生.徐變效應(yīng)的位移分析法[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科版），2006，33（4）：12-15.

[3]楊志平，朱桂新，李衛(wèi).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋撓度長(zhǎng)期觀測(cè)[J].公路，2004（8）：285-289.

[4]王培金，盛洪飛，趙尚棟.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的長(zhǎng)期撓度預(yù)測(cè)探討[J].公路交通科技，2007，1（1）：88-89.

[5]胡狄.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁徐變效應(yīng)分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2003：1-20.

[6]黃興國(guó)，惠榮炎.混凝土的收縮[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1988：1-142.

[作者簡(jiǎn)介]殷燦彬（1981-），高校教師，講師。

[課題項(xiàng)目]課題來(lái)源：湖南省教育廳課題；課題名稱(chēng)：高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋非荷載作用及其效應(yīng)研究；課題編碼：12C0581。