基于混凝土徐變的橋梁施工控制研究

歐陽騰

廣東冠粵路橋有限公司 廣東 廣州 510000

在近年的橋梁建設中，連續(xù)剛構橋因其整體結構好、強度適中、跨度大、操作平穩(wěn)方便、橋形簡潔明了等優(yōu)點而被廣泛采用。但是，剛構橋的設計和施工還有很多問題需要解決，影響連續(xù)剛構橋發(fā)展和既有橋梁使用壽命的技術問題仍然存在。其中，混凝土的徐變在連續(xù)剛構橋的設計與施工中是不可回避的關鍵課題。徐變是混凝土材料隨時間而產(chǎn)生變化的一種固有特性，這一特性存在于其整個設計基準期，即橋梁從施工到建成再到使用過程中都有徐變在結構中發(fā)生。這不僅影響了橋梁的美觀和造型，也阻礙了橋梁的正常使用。為此，研究根據(jù)預應力混凝土徐變影響因素及撓度變化，提出了一種綜合的徐變控制方法，以實現(xiàn)橋梁施工的控制。

1 外環(huán)特大橋工程概況

主體設計內(nèi)容:外環(huán)特大橋橋梁全長1017m，橋?qū)?×16.75m，橋梁上部結構采用預應力砼組合箱梁+預應力砼連續(xù)箱梁+預應力砼組合箱梁+預應力砼連續(xù)剛構+預應力砼組合箱梁，下部構造采用柱式墩、薄壁墩、花瓶墩，橋臺采用肋式臺，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。外環(huán)特大橋主橋采用85+150+85m三跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋，分幅布置，單幅橋?qū)?6.75m。主橋平面位于直線上，箱梁頂面橫坡為-2%，全橋箱梁底板水平。主梁采用單箱單室截面。箱梁根部梁高9.0m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁3.5m，梁高采用2次拋物線；箱梁頂板寬16.75m，厚30cm，最長塊段為4.0m，底板寬8.75m，厚32～200cm；箱梁腹板厚度由1#梁段至合攏段分別為厚90～70cm～50cm。主橋最大懸臂長度74m，其中1#～19#節(jié)段采用掛籃對稱懸臂澆筑。懸澆掛籃在0號梁段上安裝完畢后以1.2倍重量進行預壓測試，并記錄預壓時的彈性變形曲線，以盡可能消除非彈性變形和獲得標高控制數(shù)據(jù)。

技術要求：1、公路等級：一級公路兼城市主干路；2、設計行車速度：60km/h；3、汽車荷載等級：公路——Ⅰ級、城——A級；4、外環(huán)特大橋主橋橋梁寬度：橋梁按上下行分離設置，跨韓江路段橋?qū)挒?6m，橋?qū)捊M成為:0.50m(防撞護欄)+3m(人非通道)+0.50m(防撞護欄)+12.25m(橋面凈寬)+0.50m(防撞護欄)+2.5m(幅間間隙)+0.50m(防撞護欄)+12.25m(橋面凈寬)+0.50m(防撞護欄)+3m(人非通道)+0.50m(防撞護欄)。外環(huán)特大橋主橋橋型布置圖箱梁采用縱、橫、豎三向預應力體系，縱向分為頂板束、腹板下彎束、頂板合攏束和底板合攏束；箱梁腹板豎向預應力采用二次張拉預應力鋼絞線體系，頂板橫向預應力采用單端張拉，配扁錨體系。

2 工程實例建模計算

研究采用本地大跨徑連續(xù)剛構橋外環(huán)特大橋作為建模對象。主橋整體采用跨徑為（85+150+85）的預應力混凝土連續(xù)剛構，施工方法采用懸臂澆筑法，上部結構箱梁采用變截面形式，中間采用直線過渡，采用的澆筑材料為C55；下部基礎樁為承臺與鉆孔灌注結合形式，主墩及過渡墩為混凝土薄壁墩。主橋結構如圖1所示。

圖1 主橋結構示意圖

由于外環(huán)特大橋連續(xù)梁上部結構為單箱單室箱形梁，在施工階段，梁的受力相對于主梁截面中線而言偏心荷載很小或沒有。其主要受力為自重、預應力、掛籃以及施工過程所產(chǎn)生的臨時荷載等。故在采用BRCAD軟件對其進行撓度計算時僅采用普通梁單元即可達到工程所需的精度。橋梁施工監(jiān)控和分析的有限元計算模型如下：根據(jù)建設整個橋梁的上部結構分為83個節(jié)段單元，按照實際的施工狀況將整個過程進行分段。將其分為掛籃前移就位、澆筑混凝土、張拉預應力束三個階段。徐變對連續(xù)剛構橋撓度的影響可以從橋面施工后節(jié)點的位移得到：

在靠近懸臂端的跨中考慮混凝土收縮徐變時，最大節(jié)點位移為121.5mm，在不考慮收縮徐變的影響的時候，得到的位移結果較真正位移降低了30%左右，這樣的結果并不準確。

懸臂端點受徐變影響最大。這與懸臂自身結構有關，因為懸臂根部受影響極小，幾乎沒有位移。同時懸臂端澆筑混凝土時間很短，且預應力效果使其位移數(shù)值在已澆筑過部分的懸臂累計的位移之內(nèi)波動，因此其不受混凝土收縮影響。混凝土的徐變對于橋梁日常監(jiān)測影響十分大，由于混凝土受力而產(chǎn)生相應的徐變，若未考慮徐變影響因素，則計算得到的橋梁應力將并不準確。為使結構實測應力值更接近實際值，需要對實際梁橋進行模型試驗，獲取反映實際橋梁徐變發(fā)展規(guī)律的參數(shù)，并對實測值進行處理[1]。

3 施工過程中減小后期橋梁撓度的方法探究

3.1 確定合適的合攏部分配重

跨徑較大的橋梁在施工最后階段，需要將兩端結構進行合攏，其中對應的配重對于合攏階段來說十分重要。一般情況下，合攏部分的配重是在消除兩端高差并考慮順暢合攏的同時，能夠保證滿足設計完成標高的要求與平直度的情況下確定[2]。但目前在合攏段施工時進行徐變控制的方法并不多，為此，研究根據(jù)影響預應力混凝土徐變和撓度變化的因素，提出通過改變該段配重以控制橋梁的長期徐變。在合攏段施工的荷載以及結構內(nèi)力的大致變化情況如圖2所示。

圖2 合攏段施工荷載以及結構內(nèi)力大致變化情況

在合攏段混凝土硬化的過程中，實際上發(fā)生了結構體系的轉(zhuǎn)化[3]。這是一個應力和能量的“儲存”過程，合攏后混凝土成為超靜定結構。在這個過程中，吊籃和附加配重產(chǎn)生的彎矩內(nèi)力被存儲到其中。這種應力在傳統(tǒng)預應力的基礎上增加了一個卸載過程。該應力屬于自平衡力的范疇，是橋梁構件截斷面產(chǎn)生的拉應力和壓應力之間的平衡結果。彎矩通過對橋梁本身進行拉動，受結構重力影響。因此，這種預應力可以減少結構產(chǎn)生的長期徐變撓度，此外，隨著徐變逐漸產(chǎn)生，該預應力也逐漸較少。根據(jù)SAP軟件中模擬變化計算結果發(fā)現(xiàn)，全橋合攏一年后，以配重變化10噸為節(jié)點，將各項指標變化情況進行記錄，彎矩平均值變化約2180 KN/m，徐變位移增加了0.1mm～5.2mm，擾度變化值為60.5mm。如果可以在設計公差范圍內(nèi)最大化配重，則可以將橋梁中跨部分的徐變撓度減少至少 2～3cm。這是一種更方便的施工方法，不需要額外的工時或工期，只需改變配重的加載量。且施加的“預應力”均勻分布在整個跨度上，不存在沿程損失。

3.2 混凝土膨脹減小收縮徐變

根據(jù)熱脹冷縮原理，混凝土收縮亦可看作是對應結構溫度的變化，同樣也可以看作在進行構造過程中的尺寸誤差或彈性變量產(chǎn)生改變。混凝土的收縮很難直接預測，因為彈性模量的連續(xù)變化過程與內(nèi)力有關，并不具有線性的變化規(guī)律。可以通過模擬溫度的變化來探索確定彈性模量的變化情況，得到模量變化之后，將其運用于徐變計算。混凝土的收縮徐變和膨脹兩者并存且對立，膨脹能夠有效緩解徐變對位移產(chǎn)生的影響，在縱向上縮短梁的長度。在連續(xù)鋼架施工中，通常使用千斤頂來固定特定端部，實現(xiàn)合龍段的施工。預應力混凝土是一種超靜定的體系，其由混凝土和預應力筋組成，膨脹為其中力的產(chǎn)生過程。故研究通過膨脹劑使混凝土膨脹，進而增加預應力，以此減小徐變撓度。

3.3 密封涂料法

從徐變機理來看，研究發(fā)現(xiàn)大部分混凝土收縮是由混凝土干燥脫水引起的，其次是碳化收縮。在影響混凝土壓縮的因素中，相對濕度是影響混凝土收縮的關鍵因素。此外，影響徐變的其他因素皆與其中水分的遷移或運動有關。因此，研究提出了一種使用密封漆的方法，以減少橋梁形成后期收縮和徐變的影響。為防止混凝土失水，在橋梁混凝土表面涂上防潮封閉漆，組織混凝土內(nèi)外水分交換，使其與周圍介質(zhì)濕度平衡。

3.4 設計備用鋼束

橋梁中易出現(xiàn)跨中下?lián)犀F(xiàn)象，橋梁箱梁設計時可在其中跨跨中隔板底部和懸臂塊段腹板同時澆筑的轉(zhuǎn)向塊預設備用體外預應力鋼束，位置選定于箱梁中跨跨中隔板底部的邊緣和底板轉(zhuǎn)向塊A、腹板轉(zhuǎn)向塊B1、腹板轉(zhuǎn)向塊B2、腹板轉(zhuǎn)向塊B3的地方。根據(jù)鋼束負彎矩抵消方式，將增加鋼束后對20年內(nèi)橋跨撓度進行模擬分析，結果如圖3所示。

圖3 模擬軟件中橋梁增加鋼束后20年內(nèi)徐變曲線

由圖3可知，橋梁邊跨撓度在使用初期至20年基本無變化，而中跨的撓度隨著時間的推移逐漸減少，減少了約2.5mm。以此可證明備用鋼束的添加能夠有效較少徐變。在施工過程中可以考慮在原始配備的鋼筋設計基礎之上，調(diào)整頂板和底板的鋼筋數(shù)量。此外，若出現(xiàn)橋梁跨下?lián)系那闆r，可以適當?shù)販p少頂板鋼束的數(shù)量，同時增加底板鋼束的數(shù)量。

3.5 延長橋面鋪裝時間

橋梁鋪裝結構在橋梁中具有不變的恒力，對后期橋梁的變化影響較大。橋面鋪裝的時間與結構的穩(wěn)定性呈正相關關系，因此，若想要控制徐變可從鋪裝時間上著手。外環(huán)特大橋鋪裝時間原本為35d，先分別將鋪裝時間延長不同的天數(shù)，然后對橋跨變形進行模擬，最終得到分析結果。結果表示，鋪裝時間延后到180d時，徐變縮減了近5.2mm，得到了有效減少。考慮到施工的整體工期以及工人的工作時間，在180d內(nèi)完成橋面鋪裝是符合總體工期的。在實際應用中，在進行橋面鋪裝時間規(guī)劃時，需根據(jù)當前道路的修建進度，有針對性地決定何時開始鋪裝。

4 不同施工順序?qū)笃谛熳冇绊?/h2>

一般的橋梁合龍階段，施工順序為先邊后中，極少數(shù)為先中后邊的順序。采取先邊后中順序的施工過程中，橋梁整體結構的超靜定狀態(tài)由低次轉(zhuǎn)變?yōu)楦叽巍＝Y構中的受力變化情況較為明顯，對于徐變的控制來說，可操作性更強。采取先中后邊順序進行施工的合龍階段，主體結構的受力情況由最開始的高次超靜定轉(zhuǎn)變?yōu)楹奢d力。由此可知，不同的施工順序，結構中內(nèi)力狀態(tài)也是不同的。這間接導致了橋梁施工結束后產(chǎn)生的徐變也不一樣，對于其后期控制需要采用不同的方法。研究通過對兩種不同施工順序的成橋內(nèi)力進行分析，確定在施工中控制徐變的最佳順序。研究通過分析兩種不同施工順序的成橋內(nèi)力，確定了能夠有效控制徐變的最佳順序。因為在合龍階段，平衡作用下的部分配重在施工結束后需要進行拆除，所以研究在分析不同順序的過程中將配重與張拉底板的預應力筋忽略，僅對現(xiàn)澆段和合龍段的自重進行考慮。

利用BRCAD軟件將外環(huán)特大橋模擬兩種施工方式，并計算出成橋彎矩進行對比。通過分析可以得到，懸臂根部較端部受影響更大。根據(jù)計算結果發(fā)現(xiàn)，兩種施工順序下，中跨產(chǎn)生的成橋彎矩較邊跨更大。通過進一步的比較分析可知，施工順序較合龍段配重對于橋梁徐變的影響更大。由此可得出，采用先邊跨后中跨的施工順序能夠得到更好的控制效果。

5 結語

綜上所述，對橋梁懸臂的撓度控制在施工進程中有著十分重要的地位，控制過程中混凝土的收縮徐變?yōu)橹饕绊懸蛩亍Ｒ虼耍诤笃诓捎靡韵路椒刂七B續(xù)剛構橋梁的撓度和徐變。

（1）從節(jié)段施工時間上，可以在懸臂施工的過程中適當延長橋面鋪裝的時間。

（2）在使用徐變減小策略方法時，可重點對懸臂根部進行應用，因為根部的位移變化對整體結構影響較大。

（3）在合攏段的施工過程中，可以對相應配重進行適當調(diào)節(jié)，保證在設計范圍內(nèi)選用最大配重，以此較小后期徐變。

（4）在進行混凝土澆筑時，可適當加入膨脹劑于其中，補償混凝土徐變。

（5）在施工中最好選用先邊跨后中跨的施工順序，適當增加備用鋼束。

（6）在橋梁的各個施工階段，可以通過涂抹密閉材料的方式，減少混凝土與外部的接觸，避免水分流失，進而減小混凝土的收縮徐變。