新規(guī)范下大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度計(jì)算的反思

1、新規(guī)下大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度計(jì)算的反思摘 要：提高對(duì)混凝土收縮徐變的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精度，是大跨度橋梁設(shè)計(jì)中要解 決的一個(gè)關(guān)鍵冋題?？紤]新規(guī)中可變作用準(zhǔn)永久值的影響，分三個(gè)階段對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的徐變變形進(jìn)行理論分析，探討預(yù)測(cè)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度的方法，為此類橋梁的長(zhǎng)期撓度預(yù)測(cè)與改良設(shè)計(jì)方面提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：橋梁工程；準(zhǔn)永久值；分階段；連續(xù)剛構(gòu)；徐變變形；長(zhǎng)期撓度預(yù) 測(cè)0前言現(xiàn)有大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)线^(guò)大已成為一種普遍的現(xiàn)象，尤其后期變形繼續(xù)加大的問(wèn)題出乎設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)之外， 這也是廣闊工程師們十分頭疼的問(wèn)題。 究其 原因主要是對(duì)混凝土收縮徐變的影響程度與長(zhǎng)期性嚴(yán)重估計(jì)缺乏。預(yù)應(yīng)力混凝土連

2、續(xù)剛構(gòu)橋由于混凝土的固有性能收縮徐變的影響，必然會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線型和力狀態(tài)隨時(shí)間而發(fā)生變化，某建于1997年的主跨270m連續(xù)剛構(gòu)橋，至2003 年12月，實(shí)測(cè)下?lián)狭?22 cm；某主跨245m的一座同類結(jié)構(gòu)的大橋，跨中也嚴(yán)重 下?lián)?，最大達(dá)32 cm。許多大跨度橋梁都有類似的現(xiàn)象，這會(huì)使橋梁運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn) 不良線型而引起乘客的不舒適感，甚至危與高速行車時(shí)的平安。文獻(xiàn)對(duì)主跨270m的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了連續(xù)7年的長(zhǎng)期觀測(cè)，結(jié)果是其主跨 跨中撓度因混凝土徐變、收縮等因素逐年增長(zhǎng)，而且尚未停止。因此提高混凝土 收縮徐變的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期變形的分析和控制具有非常重要的 現(xiàn)實(shí)意義。本文的分析方

3、法可對(duì)該類型橋的使用狀況有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，探索出一個(gè)較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度的方法，為此類橋梁的長(zhǎng)期撓度預(yù)測(cè) 與改良設(shè)計(jì)方面提供依據(jù)。1預(yù)測(cè)長(zhǎng)期撓度的方法徐變變形預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)方法僅考慮一、二期恒載的長(zhǎng)期作用，實(shí)踐證明，該方 法對(duì)混凝土收縮徐變的影響程度與長(zhǎng)期性估計(jì)缺乏，即目前對(duì)徐變變形還難于從理論上給出非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此對(duì)實(shí)橋進(jìn)行撓度觀測(cè)和理論計(jì)算研究就顯得非常重要。新規(guī)2采用以概率理論為根底的極限狀態(tài)法，以大量調(diào)查實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為根底，運(yùn)用1統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法，尋求各隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，規(guī)定在長(zhǎng)期效應(yīng)組合中應(yīng)考慮可變作用準(zhǔn)永久值的影響，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更符合客觀實(shí)際。本文擬用文獻(xiàn)提供的某

4、主跨270m連續(xù)剛構(gòu)橋撓度長(zhǎng)期觀 測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮新規(guī)中的準(zhǔn)永久值來(lái)對(duì)理論徐變計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)有限元分析，最終對(duì)成橋后的長(zhǎng)期徐變變形給出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。由于橋梁結(jié)構(gòu)在營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下的應(yīng)力一般不會(huì)很大 一般，可以應(yīng)用混凝土的 線性徐變理論，分批施加應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變滿足疊加原理。故本文分如下三個(gè)階 段對(duì)實(shí)橋的徐變變形進(jìn)行分析：第一階段是在主體結(jié)構(gòu)施工完成后但尚未進(jìn)行二 期恒載施工的間隙時(shí)間；第二階段是二期恒載施工完成后但尚未通車的傳統(tǒng)長(zhǎng)期 徐變撓度預(yù)測(cè)方法；第三階段是考慮準(zhǔn)永久值后運(yùn)營(yíng)期的長(zhǎng)期撓度預(yù)測(cè)。2橋例分析2.1工程簡(jiǎn)介某主跨270m的雙壁墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為 150m+2

5、70m+15Qm主梁采用變截面箱形形式，橋?qū)?31 m分上下平行的2個(gè)單獨(dú) 橋方案，單橋?qū)?5m上部構(gòu)造采用懸臂澆筑的施工方法，其撓度長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù) 如表1所示只列出一幅橋左線橋的主跨跨中撓度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表1主跨跨中累計(jì)撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1997-1998 -1999-2000-2000-2001 -2002 -2003-年月1205030111121212撓度眄00.6360.3196.83137.69161.92179.6207.492.2計(jì)算分析本文使用大型通用有限元程序ANSY對(duì)該橋的徐變變形與其隨時(shí)間的開(kāi)展規(guī) 律進(jìn)行3維有限元分析。利用ANSYS勺用戶程序特性UPFS進(jìn)行2次開(kāi)發(fā)，嵌 入

6、新規(guī)中混凝土的徐變公式，混凝土的收縮按降溫法等效考慮，利用ANSYS中單 元的生死功能模擬施工過(guò)程。建模時(shí)混凝土局部采用solid95實(shí)體單元；預(yù)應(yīng)力 鋼筋采用link8單元，ANSY防考慮預(yù)應(yīng)力的方法有很多種，如等效荷載法、初 始應(yīng)變法、降溫法，本文采用初始應(yīng)變法，將混凝土和預(yù)應(yīng)力筋沿橋梁縱向劃分 為假設(shè)干單元，可以實(shí)現(xiàn)混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋共同工作， 通過(guò)每個(gè)單元不同的實(shí)常 數(shù)模擬力筋各處不同的應(yīng)力，可以模擬應(yīng)力損失的影響。但是該模型未考慮灌漿 過(guò)程，即對(duì)于力筋的滑動(dòng)問(wèn)題，實(shí)橋采用后法施工，在拉過(guò)程中，力筋與混凝土 之間沒(méi)有粘結(jié)，存在接觸與滑動(dòng)，同時(shí)該階段應(yīng)按凈截面計(jì)算應(yīng)力，在拉完畢灌 漿后混

7、凝土與力筋建立了粘結(jié)，實(shí)際上該簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常小。 其有限元 模型見(jiàn)圖1所示，該橋是按全預(yù)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)楝F(xiàn)關(guān)心的是徐變變形，以下 計(jì)算僅給出徐變變形的計(jì)算結(jié)果，最后再與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比照分析。第一階段主體結(jié)構(gòu)合攏后但尚未進(jìn)行二期恒載施工的徐變變形表2為橋梁主體結(jié)構(gòu)合攏后隨齡期而增長(zhǎng)的徐變變形值，可以看出：徐變引起主梁上拱負(fù)合攏后的天數(shù)dT02030405060中孔跨中豎向變位mr2.74 -4.58-6.57-8.71-10.71-12.28值，中孔跨中的徐變上拱變形均隨時(shí)間而增長(zhǎng)。表2橋梁主體結(jié)構(gòu)合攏后隨齡期而增長(zhǎng)的徐變變形值以上結(jié)果說(shuō)明：在一期恒載作用下的徐變變形隨時(shí)間上撓，這對(duì)于

8、后期的徐 變變形是有利的，因此，盡量推遲二期恒載的施工時(shí)間能夠減小后期的徐變變形。 但是，在實(shí)際工程中往往工期比擬緊，混凝土強(qiáng)度上來(lái)之后便立即施工二期恒載， 下面假設(shè)二期恒載的施工周期為 40天。222第二階段二期恒載施工完成后的長(zhǎng)期徐變變形全橋合攏后，二期荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)組合的一局部進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì),據(jù)此對(duì)考慮準(zhǔn)永久值后的長(zhǎng)施工周期為40天，此時(shí)二期載施工完成后的跨中長(zhǎng)期徐變撓度隨時(shí)間的計(jì)算結(jié) 果如表3所示。可以看出，一、二期恒載共同作用下的長(zhǎng)期徐變變形是下?lián)系模?并且下?lián)现惦S時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，到300天根本到達(dá)徐變半終值，1800天后根本 趨于穩(wěn)定。表3二階段徐變撓度隨時(shí)間的計(jì)算結(jié)果

9、/伽持荷時(shí)間d150450750105014401800 |2160跨中豎向變位34.72 !53.66 618.3673.3477.6679.7181.65二：表中持荷時(shí)間指二期恒載施丄完成后開(kāi)卜始的。運(yùn)營(yíng)階段考慮準(zhǔn)永久值以后的長(zhǎng)期撓度預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)的方法僅考慮一、二期恒載與預(yù)應(yīng)力效應(yīng)；新規(guī)按舊規(guī)的傳統(tǒng)長(zhǎng)期徐變撓度2將可變作用準(zhǔn)永久值作為期撓度作如下分析:表4三階段考慮準(zhǔn)永久值后的徐變撓度隨時(shí)間的計(jì)算結(jié)果/伽持荷時(shí)間d1504507501050144018002160中孔跨中豎向變位58.4997.74130.02158.19 163.60 168.44 172.87注：表中持荷時(shí)間指二期施工完

10、成后開(kāi)始的按實(shí)際工程中二期恒載的施工周期 40天，二期恒載施工完成后即通車，分 析結(jié)果如表4所示，由表可以看出，第三階段的徐變變形也是下?lián)系?，并且其?撓值隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，計(jì)算值也比第二階段大得多，更接近于實(shí)測(cè)值。3理論分析上述第二、三階段的長(zhǎng)期撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比照見(jiàn)圖2所示注：橫坐標(biāo)中的天數(shù)是根據(jù)實(shí)測(cè)值年限換算得到的。圖2第二、三階段長(zhǎng)期徐變撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比照三個(gè)階段的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值比照分析說(shuō)明： 第二階段的理論值與撓度實(shí)測(cè)值有較大的差距，兩者之間的差值在 40流右，最大達(dá)61%考慮準(zhǔn)永久值 影響的第三階段理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，預(yù)測(cè)7年的徐變變形差值僅為16.7%。

11、因此應(yīng)用三階段進(jìn)行分析和推算橋梁營(yíng)運(yùn)期的長(zhǎng)期徐變變形的方法是可 取的。但是，第三階段5年后的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)撓度值與實(shí)測(cè)值仍存在一定的偏差，筆者分析認(rèn)為，其主要原因是鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)除了承受恒載作用 外，還要承受循環(huán)荷載(短期效應(yīng)組合中的可變作用頻遇值)的作用，使得混凝 土結(jié)構(gòu)的疲勞在長(zhǎng)期性能分析方面成為不可無(wú)視的問(wèn)題，和E.Ardaman4進(jìn)行了 8片預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的疲勞試驗(yàn)， 結(jié)果說(shuō)明：在疲勞加載 的前期，梁的變形很小，在加載后期，梁的撓度有顯著的增大，這也同時(shí)驗(yàn)證了 上述理論分析的正確性；另外，由于雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋主墩的受力特點(diǎn)(墩頂、底彎矩大；邊墩外兩片墩身的軸力差大；整

12、個(gè)結(jié)構(gòu)受溫度影響大)使兩片墩的變 形不同，這也可能是主梁后期豎向撓度增大的一個(gè)因素。但是目前上述因素對(duì)長(zhǎng)期徐變變形影響的定量計(jì)算尚未提出，為此，筆者建議，使用階段的長(zhǎng)期撓度預(yù) 測(cè)，應(yīng)按三階段分析的結(jié)果，考慮混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞與溫度長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，在 5年后乘以1.151.25的長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)更符合客觀實(shí)際情況。對(duì)一主跨130 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)實(shí)橋(省紅嶺河高架橋)進(jìn)行了三 階段分析，該橋墩柱采用雙薄壁式柔性墩，最大墩高45m預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期徐變撓度乘以1.2倍的長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)后值為4.23 cm,并按此設(shè)置了 5 cm的預(yù)拱度。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析得出如下結(jié)論：(1) 施工期允許的情況下，盡量推遲二期恒載的施工時(shí)間，對(duì)減少長(zhǎng)期徐變 變形是有利的。(2) 分析和推算橋梁的長(zhǎng)期徐變變形應(yīng)考慮新規(guī)中準(zhǔn)永久值的影響。(3) 綜合考慮混凝土疲勞與溫度長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，按上述三階段預(yù)測(cè)的結(jié) 果，在5年后乘以1.151.25的長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)更符合客觀實(shí)際情況。參考文獻(xiàn)：1 志平，朱桂新，衛(wèi).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋撓度長(zhǎng)期觀測(cè)J.公路