多跨連續(xù)梁橋支座預(yù)偏量的影響因素研究

李登武 何振華

【摘要：】為研究收縮徐變、合龍順序、合龍溫度和彈性模量對(duì)多跨連續(xù)梁橋支座位移的影響和發(fā)展變化規(guī)律，確保混凝土澆筑質(zhì)量，文章以在建的丹江水庫(kù)多跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃糜邢拊?jì)算軟件建立全橋模型，對(duì)影響支座預(yù)偏量的主要因素進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同工況下的支座預(yù)偏量值。分析結(jié)果表明：支座位移受結(jié)構(gòu)齡期的增長(zhǎng)和外界環(huán)境濕度變化影響明顯;預(yù)應(yīng)力加載時(shí)間、合龍順序、合龍差變化和混凝土彈性模量波動(dòng)對(duì)支座預(yù)偏量影響均較小，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況合理地設(shè)置支座預(yù)偏量。

【關(guān)鍵詞：】多跨連續(xù)梁橋;支座預(yù)偏量;收縮徐變;橋梁合龍

U448.21+5A521724

0 引言

多跨連續(xù)梁橋的施工周期較長(zhǎng)，梁體受收縮徐變、環(huán)境溫度和濕度影響會(huì)產(chǎn)生較大的縱向變形[1]。合理的支座預(yù)偏可有效地使支座滑移量符合設(shè)計(jì)要求，保證支座正常工作。

為更好地研究多跨連續(xù)梁橋支座位移發(fā)展變化規(guī)律，避免支座因梁體位移過(guò)大而導(dǎo)致偏心受力甚至脫空，本文依托在建水庫(kù)多跨連續(xù)梁橋項(xiàng)目，利用有限元計(jì)算軟件，以結(jié)構(gòu)本身因素（預(yù)應(yīng)力、彈性模量、混凝土收縮徐變）、施工合龍順序和合龍溫差為主要對(duì)象進(jìn)行研究，分析計(jì)算出合理的支座預(yù)偏量值。相關(guān)研究方法和研究結(jié)論可指導(dǎo)該橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，同時(shí)也為同類型連續(xù)梁橋支座預(yù)偏量分析和取值提供參考。

1 工程概況

龍山大橋位于丹江口水庫(kù)漢江干流上，連接江北涼水河鎮(zhèn)和江南龍山鎮(zhèn)，距離丹江口水利樞紐壩址（水路）30 km。大橋上部主跨為（75+4×130+75）m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋體系，按雙向四車道設(shè)計(jì)，橋面總寬24.5 m;橋梁下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體板墩、鉆孔灌注基礎(chǔ)樁，橋臺(tái)采用重力式“U”型橋臺(tái)。全橋有限元模型軸視圖如圖1所示。

2 收縮徐變對(duì)支座預(yù)偏量的影響

在橋梁設(shè)計(jì)中，混凝土材料的收縮徐變引起的不利影響是不可忽略的[2]。本節(jié)主要從環(huán)境相對(duì)濕度和加載齡期兩個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算分析，研究收縮徐變對(duì)支座預(yù)偏量的影響。

2.1 相對(duì)濕度對(duì)支座預(yù)偏量的影響分析

混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)過(guò)程中環(huán)境濕度變化對(duì)結(jié)構(gòu)后期位移存在較大影響。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，環(huán)境相對(duì)濕度分別取50%、60%、70%、80%、90%五種工況，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工參數(shù)均保持不變。環(huán)境濕度變化對(duì)支座預(yù)偏量位移影響計(jì)算結(jié)果如圖2和表1所示。

由圖2和表1可知，在其他條件不變的情況下，支座預(yù)偏量受環(huán)境相對(duì)濕度變化影響明顯，支座預(yù)偏量隨環(huán)境相對(duì)濕度的增高而增大。以相對(duì)濕度70%為參考值，在增加或減少10%和20%時(shí)，支座最大預(yù)偏量變化分別為11.1 mm和-17.7 mm。

2.2 加載齡期對(duì)支座預(yù)偏量的影響分析

在保證工程質(zhì)量和工期的前提下，單個(gè)梁段施工周期至少保證7 d左右，待混凝土澆筑5 d后開(kāi)始張拉預(yù)應(yīng)力束。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，單個(gè)懸臂施工階段分別考慮8 d、10 d、12 d，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間分別為第5 d、第7 d、第9 d，分別考慮成橋時(shí)、成橋1年、成橋3年、成橋5年、成橋10年、成橋15年支座累計(jì)位移值，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工參數(shù)保持不變，混凝土濕度取70%。預(yù)應(yīng)力荷載加載計(jì)算結(jié)果如圖3和表2所示，齡期計(jì)算結(jié)果如圖4和表3所示。

由圖3和表2可知，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間變化所引起的支座預(yù)偏量發(fā)展曲線非常接近，最大相對(duì)位移出現(xiàn)在加載齡期的第5 d，為2.3 mm，說(shuō)明施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力加載時(shí)間變化對(duì)支座預(yù)偏量影響相對(duì)較小。由圖4和表3可知，通過(guò)對(duì)成橋時(shí)、成橋1年、成橋3年、成橋5年、成橋10年、成橋15年這六個(gè)齡期仿真計(jì)算分析，可得出離8#墩固定支座越遠(yuǎn)，預(yù)偏量隨齡期的增長(zhǎng)變化越大，但后期預(yù)偏量變化速度隨齡期逐漸減小的結(jié)論。

濕度為70%且預(yù)應(yīng)力荷載作用下支座預(yù)偏量取值如表4所示。

3 合龍順序?qū)χёA(yù)偏量的影響

多跨連續(xù)梁橋有多種合龍順序，如從邊跨至中跨合龍、從中跨至邊跨合龍、全橋一次合龍等[3]。本橋根據(jù)原設(shè)計(jì)要求，采用次邊跨合龍→邊跨合龍→中跨合龍的合龍施工方式。隨著施工進(jìn)一步展開(kāi)，后因施工工期等因素導(dǎo)致合龍順序變更，擬采用邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍的合龍施工方式。本橋先后采用的兩種施工合龍方案實(shí)為常見(jiàn)連續(xù)梁橋（連續(xù)鋼構(gòu)）典型合龍方案。不同合龍方案計(jì)算結(jié)果如圖5和表5所示。

由圖5和表5可知，在其他條件不變情況下，支座位移預(yù)偏量受合龍順序影響，相同墩號(hào)處先合龍段較后合龍段位移稍大，兩種合龍順序的位移變化曲線隨齡期的發(fā)展基本平行，說(shuō)明合龍順序調(diào)整對(duì)支座前期位移影響較大。兩種合龍方案引起的邊跨支座預(yù)偏量為次邊跨支座預(yù)偏量2.28倍和2.06倍，10年成橋后的邊跨合龍較次邊跨合龍最終預(yù)偏量要小3.3 mm。因此，在滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件下，采用邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍的施工合龍方式對(duì)支座預(yù)偏量設(shè)置是較為有利的。

4 合龍溫度對(duì)支座預(yù)偏量的影響

丹江口境內(nèi)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱，春秋溫和，多年平均氣溫在14.3 ℃～15.9 ℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件擬定于秋季施工，選擇在較低溫度時(shí)合龍，平均溫度取15 ℃。理論上施工工程中溫度恒定時(shí)對(duì)主梁線性和支座預(yù)偏量基本不產(chǎn)生影響，而實(shí)際合龍過(guò)程中往往和設(shè)計(jì)溫差存在一定差距，從而導(dǎo)致支座預(yù)偏量發(fā)生變化。

結(jié)合實(shí)際施工情況，混凝土濕度為70%，合龍?jiān)O(shè)定溫度為15 ℃，考慮合龍溫差變化為-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃五種工況，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)均保持不變。合龍溫差變化和成橋后溫差變化對(duì)支座預(yù)偏量的影響計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示，支座預(yù)偏量方向如表6所示。

由圖6和圖7可知，在其他條件不變的情況下，施工合龍溫差對(duì)支座預(yù)偏量影響較小，合龍溫差變化為±5 ℃、±10 ℃時(shí)的預(yù)偏量與參考溫度預(yù)偏量基本重合。成橋后溫差變化為±5 ℃時(shí)預(yù)偏量與參考溫度預(yù)偏量基本重合，溫差變化為±10 ℃時(shí)存在較小波動(dòng)。結(jié)合表6可知，溫差增大為10 ℃時(shí)，支座預(yù)偏量最大值為5.76 mm，出現(xiàn)在邊跨支座處。溫差引起邊跨支座預(yù)偏量為次邊跨支座預(yù)偏量的1.88倍。

5 彈性模量對(duì)支座預(yù)偏量的影響

工程實(shí)踐表明，試驗(yàn)所測(cè)彈性模量往往大于混凝土彈性模量設(shè)計(jì)值[4]。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原材料進(jìn)行配合比試驗(yàn)，測(cè)得C55主梁混凝土第5 d、第7 d、第10 d、第28 d齡期的彈性模量分別為3.42×104 MPa、3.87×104 MPa、4.10×104 MPa、4.77×104 MPa，擬合成彈性模量發(fā)展曲線如圖8所示。

為討論混凝土彈性模量變化對(duì)支座預(yù)偏量的影響，一方面計(jì)算分析按設(shè)計(jì)彈性模量的-10%、+10%、+20%、+30%取值計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖9所示;另一方面根據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期混凝土試塊試驗(yàn)確定混凝土彈性模量，并考慮合龍溫差>10 ℃、混凝土濕度取70%且按先邊跨合龍方式進(jìn)行綜合分析得出支座最終預(yù)偏量以指導(dǎo)實(shí)際施工，計(jì)算結(jié)果如圖10、表7所示。

由圖9和圖10可知，在其他條件不變的情況下，彈性模量變化對(duì)支座預(yù)偏量影響相對(duì)較小;6#和7#墩墩頂支座預(yù)偏量在前三年上升最明顯，后期支座預(yù)偏量變化緩慢。結(jié)合表7可知，在考慮合龍溫差為10 ℃、邊跨合龍和環(huán)境溫度為70%時(shí)，成橋十年后6#墩和7#墩最大位移影響量分別為54.74 mm、26.42 mm，且溫差引起邊跨支座預(yù)偏量為次邊跨支座的2.24倍。

6 結(jié)語(yǔ)

由以上數(shù)值參數(shù)分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）支座預(yù)偏量受收縮徐變影響最大，其中前三年影響最為明顯。考慮到第10～15年的混凝土收縮徐變并未停止，只是發(fā)展相對(duì)緩慢，在大跨徑橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)考慮十年后加載齡期變化對(duì)支座預(yù)偏量的影響。

（2）環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)支座預(yù)偏量變化影響明顯。環(huán)境相對(duì)濕度增大20%時(shí)對(duì)其10#墩支座預(yù)偏量考慮10年齡期時(shí)的最大影響為17.7 mm;預(yù)應(yīng)力張拉延期2 d或滯后2 d對(duì)后期預(yù)偏量變化影響不明顯。

（3）多跨連續(xù)梁橋合龍時(shí)，上述兩種常見(jiàn)合龍方案后期隨齡期變化、收縮徐變影響基本相同，先邊跨合龍相比先次邊跨合龍支座最終預(yù)偏量值略小。

（4）合龍溫差和混凝土彈性模量的波動(dòng)對(duì)支座預(yù)偏量存在一定影響，但影響值相對(duì)較小。當(dāng)合龍溫差小于合龍參考溫度±5 ℃，彈性模量波動(dòng)小于設(shè)計(jì)10%，其他條件不變時(shí)可正常施工。

（5）支座預(yù)偏量受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工影響較大，支座預(yù)偏量設(shè)置終值應(yīng)結(jié)合主橋合龍順序、合龍溫差、實(shí)測(cè)彈性模量來(lái)綜合考慮計(jì)算，本文表7為同類型橋梁支座預(yù)偏量計(jì)算和取值提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖星星.年溫差對(duì)多跨長(zhǎng)聯(lián)橋的影響分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（4）：639-644.

[2]周 履，陳永春.收縮 徐變[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.

[3]渠廣鎮(zhèn).多跨長(zhǎng)聯(lián)PC連續(xù)梁橋施工控制關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[4]林 強(qiáng).連續(xù)梁橋懸臂現(xiàn)澆施工關(guān)鍵技術(shù)與控制方法研究[D].南京：東南大學(xué)，2016.