城市橋梁索輔體系設(shè)計(jì)長(zhǎng)期性能研究

趙 松

(珠海市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司廈門(mén)分公司，福建 廈門(mén) 360012)

城市橋梁索輔體系設(shè)計(jì)長(zhǎng)期性能研究

趙 松

(珠海市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司廈門(mén)分公司，福建 廈門(mén) 360012)

簡(jiǎn)述了索輔體系橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)城市橋梁混凝土收縮和徐變的誘發(fā)機(jī)理進(jìn)行了分析，并以三好橋?yàn)槔瑢?duì)該橋主梁撓度、塔頂水平位移、主梁內(nèi)力等進(jìn)行了研究，同時(shí)提出了改善索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能的措施，以供參考。

橋梁，索輔體系，性能，混凝土

1 城市橋梁索輔體系

“索輔梁橋”的概念由鄧文中教授提出，即在橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，改變?cè)兄豢紤]主梁受力的梁橋設(shè)計(jì)模式或只考慮斜拉索受力的常規(guī)斜拉橋設(shè)計(jì)模式，代替以主梁、斜拉索組合受力的設(shè)計(jì)模式，從而充分發(fā)揮其各自的材料性能，以達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。鑒于索輔體系橋梁的上述優(yōu)點(diǎn)，它一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)廣泛出現(xiàn)于城市的江河之上。所以，系統(tǒng)深入地研究這種新興的結(jié)構(gòu)體系，掌握其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出該類(lèi)橋型的適用范圍、設(shè)計(jì)參數(shù)的影響因素及長(zhǎng)期使用性能，有助于今后更好地發(fā)揮索輔體系橋梁的優(yōu)勢(shì)，從而造福于社會(huì)。

2 城市橋梁混凝土的收縮和徐變

收縮和徐變是混凝土材料作為彈性粘滯體關(guān)于時(shí)間變化的重要物理力學(xué)性質(zhì)，其對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的影響受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了一系列研究成果。雖然收縮和徐變都與混凝土的材料性質(zhì)有關(guān)，但收縮和徐變的誘發(fā)機(jī)理卻完全不同。

2.1 混凝土的收縮

混凝土的收縮是由于混凝土體內(nèi)水化反應(yīng)、水泥凝膠體中吸附水蒸發(fā)、水泥凝膠體與外界環(huán)境反應(yīng)等因素，而使混凝土本身體積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象。它的產(chǎn)生和發(fā)展與外荷載無(wú)關(guān)，而僅僅依賴(lài)于時(shí)間。誘發(fā)混凝土收縮的因素很多，不同的機(jī)理會(huì)對(duì)收縮有不同的影響。在混凝土產(chǎn)生的收縮總量中自發(fā)收縮所占的比重較小，其值在一個(gè)月時(shí)為40 με，到五年之后也只達(dá)到100 με；而大量的試驗(yàn)研究表明，當(dāng)碳化收縮在空氣濕度為100%或小于25%時(shí)就會(huì)停止。在收縮總量中，干燥收縮所占的比例最大。

2.2 混凝土的徐變

混凝土的徐變是指在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土隨時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的非彈性變形。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究表明，徐變變形在加載初期增長(zhǎng)顯著，之后逐漸減慢，通常在5年～15年后達(dá)到極值。與收縮變形不同，混凝土徐變變形的累計(jì)值一般都很大，可達(dá)彈性變形的1倍～3倍。由于混凝土收縮變形與結(jié)構(gòu)體系和外部荷載無(wú)關(guān)，其影響因素主要屬于建筑材料學(xué)科的范疇，本文不予研究。而徐變變形除受到構(gòu)件性質(zhì)和環(huán)境條件的影響外，還與混凝土的加載齡期、應(yīng)力水平和荷載作用時(shí)間有關(guān)。這部分影響因素與橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系密切，也是本文研究的重點(diǎn)。

3 索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能分析

三好橋作為索輔體系橋梁的代表，其長(zhǎng)期性能可以反映這類(lèi)體系的共性，因此研究三好橋收縮徐變效應(yīng)對(duì)于掌握該類(lèi)體系的特點(diǎn)，指導(dǎo)其設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

評(píng)價(jià)索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能的好壞，主要借鑒常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋的方法，計(jì)算橋梁隨成橋時(shí)間的增長(zhǎng)而產(chǎn)生的主梁撓度、內(nèi)力、拉索索力、塔頂水平位移等指標(biāo)的變化。本文在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，主梁混凝土加載齡期取28 d，以正裝成橋時(shí)刻為基準(zhǔn)，分別計(jì)算橋梁在建成0.5年，1年，2年，5年，10年，20年，30年時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.1 主梁撓度分析

三好橋隨建成時(shí)間的增長(zhǎng)，主梁撓度在收縮徐變作用下逐漸增大，但是其趨勢(shì)逐漸減小。成橋5年的下?lián)现嫡汲蓸?0年下?lián)峡偭康?0%，表明收縮徐變?cè)诮Y(jié)構(gòu)建成初期效應(yīng)明顯。橋梁建成30年后，主梁最大撓度為25.51 mm，撓跨比為1/3 920，遠(yuǎn)小于連續(xù)梁橋收縮徐變引起的撓跨比。由此可得，三好橋的長(zhǎng)期撓度小于連續(xù)梁橋，在建成多年后仍能保持良好的橋面線形。

3.2 塔頂水平位移分析

三好橋的橋塔是V形鋼拱塔，用10對(duì)水平索聯(lián)系在一起形成的受力整體，屬于異型結(jié)構(gòu)。橋塔變形、受力與水平索和斜索索力有著密切關(guān)系，而且長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受力狀態(tài)的好壞與成橋時(shí)刻橋塔受力狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于雙鋼拱塔結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)、施工時(shí)通常在定位時(shí)給結(jié)構(gòu)一定的預(yù)偏量，從而保證拉索按施工順序張拉完成之后鋼拱塔受力以拱形受壓為主。通過(guò)計(jì)算MIDAS/Civil計(jì)算得到，三好橋合理成橋狀態(tài)時(shí)兩鋼拱塔均向岸側(cè)偏移，此時(shí)塔根彎矩為25 700 kN·m。徐變效應(yīng)使索力降低且斜索力下降幅度大于水平索力，從而引起塔頂逐漸向江側(cè)偏移，這對(duì)減小塔根彎矩具有積極的影響。經(jīng)計(jì)算，成橋30年時(shí)，塔頂向江側(cè)移動(dòng)5.49 mm，塔根彎矩減小到22 930 kN·m，比剛成橋時(shí)減小10.8%。這一計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于類(lèi)似三好橋這樣的雙拱塔結(jié)構(gòu)橋梁，在施工控制的過(guò)程中，可以讓橋塔在成橋時(shí)刻略微向岸側(cè)偏移，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋塔會(huì)慢慢恢復(fù)到最佳狀態(tài)，使塔根受力達(dá)到最佳。

3.3 主梁內(nèi)力分析

在徐變長(zhǎng)期作用下，主梁正負(fù)彎矩均呈增大趨勢(shì)，且隨時(shí)間的增長(zhǎng)，趨勢(shì)逐漸減緩。徐變效應(yīng)在橋梁建成初期對(duì)內(nèi)力影響大，橋梁建成10年后，主梁彎矩值占成橋30年后彎矩值的90%以上，表明成橋10年之后，徐變對(duì)主梁彎矩影響基本完成。主梁跨中正彎矩對(duì)徐變效應(yīng)的敏感度高于塔底支座負(fù)彎矩。成橋30年后，主梁跨中正彎矩比剛成橋時(shí)增大了47.2%，而塔底支座負(fù)彎矩只增大了26.1%。

4 索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能改善措施研究

對(duì)于索輔體系橋梁來(lái)說(shuō)，收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響主要表現(xiàn)在主梁彎矩的增加，而主梁撓度和拉索索力并沒(méi)有太大的變化。經(jīng)過(guò)研究混凝土加載齡期對(duì)長(zhǎng)期性能的影響，本文發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制主梁加載齡期來(lái)改善索輔體系橋梁的彎矩是不顯著的，也是不現(xiàn)實(shí)的。經(jīng)前文分析得到的只考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)的索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能良好，除主梁彎矩外，其余各項(xiàng)指標(biāo)與成橋狀態(tài)相比均變化較小。但是實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)在多種因素的共同作用之下，其長(zhǎng)期性能是各種效應(yīng)耦合作用的結(jié)果。根據(jù)當(dāng)前的工程經(jīng)驗(yàn)，可以預(yù)見(jiàn)到在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁長(zhǎng)期的內(nèi)力和位移效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)峻的后果。因此，有必要研究索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能的改善方法。

1)設(shè)計(jì)階段改善索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能的措施。通過(guò)之前的分析，已經(jīng)得出收縮徐變將使主梁內(nèi)力在既有的成橋狀態(tài)下向不利方向發(fā)展。三好橋原設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)主梁在跨中區(qū)段為正彎矩，塔底支座區(qū)段為負(fù)彎矩。為遏制徐變的發(fā)展，減小主梁成橋彎矩是設(shè)計(jì)階段可以采取的有效方法。本文以三好橋設(shè)計(jì)施工索力為基準(zhǔn)，保持水平索設(shè)計(jì)施工索力不變，將斜索的設(shè)計(jì)施工索力增大10%，從而改善主梁的內(nèi)力狀態(tài)。

2)成橋后期改善索輔體系橋梁長(zhǎng)期性能的措施。對(duì)于已經(jīng)建成的索輔體系橋梁，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中拉索索力不斷下降，且主梁內(nèi)力和位移向?qū)Y(jié)構(gòu)更加不利的方向發(fā)展，因此采用拉索二次張拉的方式改善其長(zhǎng)期性能。三好橋成橋兩年后徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響占成橋30年總量的50%左右，所以本文確定在成橋兩年時(shí)進(jìn)行拉索的二次張拉。由于計(jì)算模型考慮因素單一，在實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢測(cè)從而確定合理的二次張拉時(shí)間。二次張拉的目標(biāo)索力以成橋索力為基準(zhǔn)，并可略微增大。

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Research on long term performance of city bridge cable auxiliary system design

Zhao Song

(XiamenBranch,ZhuhaiTrafficSurveyandDesignLimitedCompany,Xiamen360012,China)

This paper discussed simply the structure characteristics of cable auxiliary system bridge, analyzed the induced mechanism of city bridge concrete shrinkage and creep, and taking Sanhao bridge as an example, researched the main beam deflection, top tower horizontal displacement, main girder internal force of the bridge, at the same time put forward the measures to improve the long-term performance of cable bridge auxiliary system, for reference.

bridge, cable auxiliary system, performance, concrete

2015-01-19

趙 松(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0178-02

U445

A