混凝土徐變對橋梁施工中撓度控制的影響研究

李 成

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，北京 100176）

0 引言

橋梁監(jiān)控能夠隨時掌握橋梁施工時的受力情況，以確保施工質(zhì)量以及安全性。在施工控制中線形控制是主要內(nèi)容，而預(yù)拱度的設(shè)置是線形監(jiān)控的主要內(nèi)容。對于預(yù)拱度的設(shè)置而言，混凝土的徐變具有較大貢獻(xiàn)。因此，正確確定混凝土的徐變效應(yīng)對于混凝土橋梁的控制具有重大意義。

1 有限元分析

某工程的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑布置為44+88+44 m，橋梁上部為變截面箱梁，采用懸臂澆筑的施工方法。各節(jié)段混凝土的不斷澆筑使橋梁施工時的荷載不斷疊加。因為混凝土材料的不穩(wěn)定性，使計算該橋梁的變形工作變得較為復(fù)雜。為確保橋梁施工時擁有科學(xué)的指導(dǎo)，需要在懸臂施工前以有限元分析的方式對該橋梁的應(yīng)力以及位移進行監(jiān)控，同時比較截面的應(yīng)力和預(yù)拱度，以將其作為施工監(jiān)控的依據(jù)。本文應(yīng)用MIDAS/CIVIL 對該橋梁進行建模計算。模型中考慮了混凝土材料的徐變系數(shù)，并設(shè)置了橋梁預(yù)拱度。本項目選用的是國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中的徐變模型，時間與徐變系數(shù)的變化如圖1 所示。

圖1 混凝土徐變系數(shù)隨時間的變化趨勢

由于橋梁監(jiān)控數(shù)據(jù)受溫度的影響較大，因此應(yīng)避免在高溫時段監(jiān)測橋梁的內(nèi)力。該橋梁的應(yīng)力監(jiān)測時間為上午6:00～7:00以及傍晚的7:00 左右，橋梁的高程監(jiān)測需在張拉彎預(yù)應(yīng)力鋼絞線以及懸臂澆筑后進行。部分監(jiān)測結(jié)果見表1。

由表1 可知，模型計算的撓度值和實測值近似相等，不過以模型計算所得的撓度值比實測值要小，僅有部分?jǐn)?shù)據(jù)偏大。綜合分析后認(rèn)為，導(dǎo)致這一情況的因素有混凝土的收縮續(xù)編以及溫度應(yīng)力等。為更加準(zhǔn)確地預(yù)測橋梁施工時的線形，使模型計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，就需要對橋梁混凝土的容重、徐變等進行測試計算。

表1 橋梁撓度監(jiān)測結(jié)果對比 mm

2 施工過程混凝土引起的撓度

2.1 混凝土徐變系數(shù)的計算

本文在計算混凝土徐變系數(shù)時，考慮了混凝土在加載時的不同齡期的固化程度以及環(huán)境因數(shù)等因素。混凝土加載時的齡期如圖2 所示（僅列出部分計算圖示）。

圖2 混凝土加載時的齡期

在國內(nèi)現(xiàn)有橋梁設(shè)計規(guī)范中，對混凝土收縮徐變模型有如下兩種規(guī)定：一種是以滯后彈性變形加上塑性變形作為徐變系數(shù)的計算表達(dá)式，表示隨著齡期的增加徐變系數(shù)不斷增加的規(guī)定，此外在該規(guī)范中，還添加了混凝土加載時的強度以及加載齡期等相關(guān)的系數(shù)；一種是以名義徐變系數(shù)與相對應(yīng)的時間跟徐變的函數(shù)表達(dá)式的乘積，在該規(guī)范中不再細(xì)分徐變，并增加了隨著混凝土強度變化時徐變系數(shù)的變化規(guī)律，對于水泥品種以及溫度則是以修正加載齡期的方式進行考慮。兩種規(guī)范采用的是不同的量化規(guī)律。本文在計算混凝土徐變時采用的是第二種規(guī)范，所得結(jié)果如表2 所示。

表2 混凝土徐變加載齡期與理論厚度h 的關(guān)系 mm

當(dāng)橋梁所處地區(qū)的年平均相對濕度RH 在40%～70%時，RH 應(yīng)取55%；當(dāng)其所處區(qū)間為70%～90%時，應(yīng)取80%。當(dāng)橋梁構(gòu)件加載齡期以及厚度為表中中間值時，可采用直線內(nèi)插法的方式求取其混凝土名義徐變系數(shù)。

2.2 徐變計算式參數(shù)選取

徐變系數(shù)的選取可按照以下步驟進行：確定橋梁實際的年平均相對濕度值RH，按照實際加載齡期確定混凝土的徐變發(fā)展系數(shù)，根據(jù)表2 數(shù)據(jù)確定橋梁的名義徐變系數(shù)來求取橋梁的徐變系數(shù)（表3）。于該橋梁所處地區(qū)的年平均相對濕度，將RH取值確定為55%。

表3 徐變系數(shù)參數(shù)

按表3 中的徐變速率即可對其徐變系數(shù)間計算。因該橋梁混凝土的加載齡期均在90 d 以內(nèi)，因此其名義系數(shù)可以通過直線內(nèi)插的方式求取。

2.3 不同齡期混凝土松弛模量

在計算因混凝土收縮徐變所引起的撓度值以及橋梁變形值等都需要用到混凝土材料松弛模量參數(shù)。在試驗現(xiàn)場開展混凝土彈性模量測試試驗具有重要的意義。該試驗可為混凝土橋梁施工時提供數(shù)據(jù)支撐，并且加深技術(shù)人員對混凝土強度變化的了解情況。

作為人工合成的混合材料，混凝土對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性有重大影響。但在實際工程應(yīng)用時難以預(yù)測其相關(guān)性質(zhì)。松弛模量作為混凝土重要的特性，其隨著時間的推移會不斷發(fā)生變化，并且具有較大的變異性。雖然國內(nèi)已有混凝土松弛模量的驗收標(biāo)準(zhǔn)，但施工期間混凝土的松弛模量值并無精確的取值。在工程實際中，鑒于施工條件不同，各個構(gòu)件在某一時刻所處松弛模量與規(guī)范中的建議值并不相等，因此不能直接以規(guī)范進行取值。

混凝土的松弛模量與其所養(yǎng)護齡期等有關(guān)。在現(xiàn)場測試混凝土的松弛模量，可給施工監(jiān)控提供參考以控制施工標(biāo)高誤差。并且，當(dāng)前監(jiān)測混凝土的受力狀態(tài)主要是以應(yīng)變傳感器的方式實現(xiàn)，在將所測得的應(yīng)變換算為應(yīng)力時需將材料的模量值導(dǎo)入。要進行準(zhǔn)確的換算必須要知道材料的模量變化規(guī)律。因此為了提高控制精度，需要對混凝土的模量值進行測試。在該項目中，選取了不同齡期的混凝土試塊進行試驗，樣品數(shù)量為5。該種方法適用于完全樣品數(shù)量在3～50 內(nèi)的試驗（圖3）。

圖3 模量試驗加載流程

C50 混凝土在齡期為3 d、7 d、14 d、28 d 和355 d 時，實驗得到的彈性模量分別為32.4 GPa、35.0 GPa、36.6 GPa、37.6 GPa 和34.3 GPa。在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，假定混凝土松弛模量隨時間呈指數(shù)分布，將兩者關(guān)系繪制成圖（圖4）。

圖4 混凝土松弛模量隨時間變化趨勢

2.4 結(jié)果對比

以上述結(jié)果分析張拉施工完成后因混凝土徐變所引起的撓度值，所得結(jié)果如表4 所示。

由表4 可知，與修正后的模型計算值相比，實算值修正后所得數(shù)據(jù)與實測值更加接近。以上述截面為例，其偏離程度最大的截面僅有9%的偏離率，而修正后的模型計算值卻有12.5%的偏離率。以現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)對徐變進行計算，所得到的撓度值具有較好的符合度。導(dǎo)致?lián)隙瘸霈F(xiàn)偏差的因素有很多，其中主要是因為選取混凝土徐變系數(shù)時的誤差導(dǎo)致的，在實際施工時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況選取相應(yīng)的徐變系數(shù)。

表4 施工階段撓度對比 mm

3 結(jié)語

以上述分析可知，在橋梁的線形監(jiān)控中，混凝土的徐變對其具有較大影響，必須采取相應(yīng)的有效措施來降低混凝土徐變對線形的影響，使橋梁監(jiān)控的準(zhǔn)確性有所提高，確保橋梁成橋后線形控制效果良好。