大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期撓度分析

郝章喜，吳雪城，彭　鵬，王建秋

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

?

大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期撓度分析

郝章喜，吳雪城，彭鵬，王建秋

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

混凝土的收縮徐變是影響大跨徑預應力混凝土梁橋長期撓度最主要的因素之一。文章分析了在不同應力條件下混凝土收縮徐變對箱梁結構的長期撓度方向和大小的影響，并以賀街大橋為工程背景，建立了平面桿系有限元模型，通過優化設計結構應力條件使徐變撓度向上，從而達到減小長期撓度的目的，為解決大跨徑預應力混凝土箱梁橋存在的長期下撓問題提供參考。

大跨徑；預應力混凝土箱梁；混凝土徐變；長期撓度；應力差；預應力損失

0　引言

預應力混凝土梁橋是世界上應用最為廣泛的一種橋梁類型，隨著高強混凝土和高強鋼材的不斷發展，大跨徑預應力混凝土連續梁橋和連續剛構橋也得到了長足的發展，但是在使用過程中普遍存在主梁下撓過大的問題，如跨徑195 m的美國Parrotts大橋主跨下撓635 mm；跨徑270 m的虎門大橋輔航道橋建成6年后主跨下撓222 mm，而且尚未停止[1]。

影響大跨徑預應力混凝土梁橋長期撓度最主要的因素是混凝土的收縮徐變和預應力鋼束的應力損失，預應力鋼束的應力損失對長期撓度的影響主要由材料的性能和施工工藝決定，而混凝土收縮徐變則主要由材料性能、工程環境和應力條件決定。

本文重點分析混凝土收縮徐變在不同應力條件下結構的長期撓度方向和大小，并以賀街大橋為工程背景，建立了平面桿系有限元模型，通過優化設計結構應力條件使徐變撓度向上，從而達到減小長期撓度的目的，其研究成果將為解決大跨徑預應力混凝土箱梁橋存在的長期下撓問題提供參考。

1　混凝土收縮徐變對箱梁長期撓度的影響分析

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)附錄F，混凝土的收縮應變及徐變系數與工程環境和加載時間有關，與混凝土應力條件無關。對于線性徐變理論，徐變應變εc=φ(t，t0)εe，φ(t，t0)為徐變系數，εe為混凝土彈性應變，εe=σc/Ec，則εc=φ(t，t0)σc/Ec，σc為混凝土彈性應力(混凝土的應力不超過極限強度的40%～50%時)，由徐變應變公式可知：徐變應變與彈性應力成正比，若改變箱梁上下緣彈性應力，將改變上下緣的徐變應變，從而改變結構撓度的方向和大小。

為了研究上下緣應力差對撓度方向和大小的關系，筆者采用橋梁結構分析系統BSAS建立30 m簡支梁模型(非預應力結構)，簡支梁采用矩形斷面，梁高1.6 m，寬1 m，采用C40混凝土，環境相對濕度70%，混凝土加載齡期7 d，在簡支梁兩端通過施加彎矩和軸力來改變上下緣的應力狀態。調整上下緣應力差值，跨中長期撓度計算結果如表1所示，當應力差為1 MPa時跨中長期撓度如圖1所示。

表1上下緣應力差跨中長期撓度值表(單位：mm)

時間-5MPa-3MPa-2MPa-1MPa0MPa1MPa2MPa3MPa5MPa成梁11.06.64.42.20.0-2.2-4.4-6.6-11.01年20.112.18.04.00.0-4.0-8.0-12.1-20.12年22.113.38.84.40.0-4.4-8.8-13.3-22.13年23.514.19.44.70.0-4.7-9.4-14.1-23.55年25.415.310.25.10.0-5.1-10.2-15.3-25.410年27.416.411.05.50.0-5.5-11.0-16.4-27.430年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.050年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.0

注：應力差=上緣應力-下緣應力，表中撓度為豎向位移，向下為正

圖1　應力差為1 MPa時跨中長期撓度曲線圖

從表1計算數據中可得出：(1)應力差為0 MPa時，長期撓度為0，說明長期撓度與簡支梁的絕對應力無關；(2)跨中撓度值與應力差值成正反比例關系，當上緣應力大于下緣應力時，長期撓度向下，反之則向上。

由圖1可知簡支梁成梁后一年撓度增加速度較快，之后基本按線性增加，10年后撓度增加變得緩慢，30年后撓度基本不再增加。

2　工程概況

擬建賀街大橋屬于賀州至富川一級公路蓮塘支線上的主要大橋，位于廣西賀州市八步區賀街鎮西南面，跨越賀江，大橋主橋跨徑布置為(60+104+60)m，采用預應力混凝土連續梁橋，單幅橋面寬12 m，橋型布置如圖2所示。主橋箱梁采用C50混凝土，三向預應力體系，全橋共144束縱向預應力鋼束，鋼束布置如圖3所示。

圖2　賀街大橋橋型布置圖(單位：cm)

圖3　主橋箱梁分段及縱向預應力布置圖(單位：cm)

3　有限元計算模型

采用橋梁結構分析系統BSAS對主橋箱梁進行模擬計算，全橋由77個節點和76個單元組成，兩個橋墩墩頂節點號為22和56，跨中節點號為39，環境相對濕度80%，混凝土加載齡期7 d，計算模型如圖4所示。

圖4賀街大橋主橋有限元計算模型圖

4　計算結果

4.1箱梁恒載應力

成橋箱梁上下緣恒載應力如圖5所示，從圖5可以看出：上下緣應力均為壓應力(正值)，上緣最大應力為10.83 MPa，在主跨L5/8附近；下緣最大應力為9.66 MPa，在主跨跨中，上下緣應力最大值均未超過極限強度的40%；上下緣應力差除邊跨現澆段和跨中合龍段附近為負值，其他均為正值，最大應力差值為5.96 MPa，最小應力差為-4.73 MPa。

圖5　成橋箱梁上下緣應力及應力差曲線圖

運營1年、5年、10年和30年時間上下緣應力變化情況如圖6～7所示，從圖中可以看出：運營1年和5年上緣應力降低比較快，運營30年應力最大降低1.0 MPa，主要是由箱梁預應力損失引起；下緣應力除現澆段和跨中合龍段附近應力減小外，最大減小0.48 MPa，懸臂澆筑梁段基本都有所增加，最大增加0.56 MPa，主要是恒載內力不變上緣應力減小后引起的下緣應力增加。運營30年上下緣應力差如圖8所示，懸臂澆筑梁段應力差均有減小，最大減小1.59 MPa，邊跨現澆段和跨中合龍段有所增加，增值較小。

圖6　成橋后箱梁上緣應力變化圖

圖7　成橋后箱梁下緣應力變化圖

圖8　運營30年上下緣應力差變化圖

4.2箱梁長期撓度

計算得橋梁自成橋到運營1年、5年、10年和30年時間箱梁撓度見圖9，成橋后箱梁撓度變化見圖10。從圖9～10可以看出：成橋主跨跨中撓度僅為-6 mm，為跨徑的1/173 33，箱梁剛度較大，運營1年和5年撓度變化比較快，與應力變化比較大相關，運營10年后跨中撓度減小到-2 mm，之后不再減小，運營30年撓度又增加至-3 mm。

圖9　箱梁長期撓度圖

圖10　成橋后箱梁撓度變化圖

4.3箱梁長期撓度分析

為了研究各因素對長期撓度的影響，對混凝土收縮徐變、預應力損失引起長期撓度的結果進行分別計算，運營1年、5年、10年和30年混凝土徐變引起的撓度增量如圖11所示，預應力損失(含混凝土收縮徐變引起的損失)引起的撓度增量如圖12所示，混凝土收縮應變引起的長期撓度幾乎為零，收縮應變主要體現在對預應力鋼束的應力損失引起的撓度；運營30年箱梁撓度增量組成如圖13所示。

圖11　運營期混凝土徐變引起箱梁撓度增量圖

圖12　運營期預應力損失引起箱梁撓度增量圖

圖13　運營30年箱梁撓度增量組成圖

從圖11可知，混凝土徐變引起的中跨撓度變化是向上的，增量規律同簡支梁模型相同；而預應力損失引起的撓度增量是向下的，運營10年后增速變緩，但一直增加；運營30年總撓度主跨撓度增量仍然為正，說明主跨箱梁后期撓度徐變的增加量大于預應力損失的減小量。

徐變引起的撓度主要是由箱梁上下緣應力差引起的，成橋恒載上下緣應力差及運營30年徐變撓度增量如圖14所示。

圖14　成橋箱梁應力差及運營30年徐變撓度增量圖

通過試算分析可知，主跨跨中附近梁段下緣應力大于上緣應力，墩頂至3 L/8梁段上緣應力大于下緣應力時徐變引起主跨撓度方向均為向上。本項目箱梁上下緣應力差的設置均吻合上述分析結果，徐變引起的撓度向上達到了12 mm，有效減小了跨中長期撓度的發展。

5　結語

大跨徑預應力混凝土箱梁橋箱梁長期撓度主要由混凝土的收縮徐變和預應力鋼束的應力損失引起，預應力損失引起的撓度可通過改進預應力鋼束材料和張拉工藝而改善，混凝土收縮應變對長期撓度影響不明顯，混凝土徐變引起的撓度可通過改變上下緣的應力差而改變撓度方向和大小，若徐變引起撓度向上，便可有效減小箱梁長期撓度。文章首次提出改善結構恒載上下緣應力差而改變徐變引起撓度方向，從而解決大跨徑預應力混凝土箱梁橋存在的長期下撓問題，在同類橋梁設計中具有一定的參考價值。

[1]劉效堯，徐岳.梁橋(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

Long-term Deflection Analysis of Large-span Prestressed Concrete Box-girder Bridges

HAO Zhang-xi，WU Xue-cheng，PENG Peng，WANG Jian-qiu

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

The concrete shrinkage and creep is one of main factors affecting the long-term deflection of large-span prestressed concrete girder bridges.This article analyzed the impact of concrete shrinkage and creep on long-term deflection direction and magnitude of box girder structure under different stress conditions，and with Hejie Bridge as engineering background，it established the plane frame finite ele-ment model，making the creep deflection upwards by optimizing the design structure stress conditions，so as to achieve the purpose of reducing the long-term deflection，which provides the reference for sol-ving the existing long-term downward deflection problem of large-span prestressed concrete box-girder bridges.

Large-span；Prestressed concrete box-girder；Concrete creep；Long-term deflection；Stress difference；Prestress loss

2016-05-10

U441+.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.010

1673-4874(2016)06-0033-04

郝章喜(1981—)，工程師，主要從事公路與橋梁工程設計、咨詢方面的工作;

吳雪城(1983—)，工程師，主要從事公路與橋梁工程設計、工程造價、咨詢方面的工作;

彭鵬(1988—)，助理工程師，研究生，主要從事公路與橋梁工程設計、咨詢方面的工作；

王建秋(1987—)，助理工程師，研究生，主要從事公路與橋梁工程設計、咨詢方面的工作。