大跨連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力損失對后期下?lián)嫌绊懛治?/h1>

2011-04-19 08:19:58孫劍川

四川建筑訂閱 2011年2期 收藏

關(guān)鍵詞：徐變剛構(gòu)橋撓度

孫劍川

(中鐵十六局四川工程指揮部，四川 成都 610032)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋以其受力性能好、伸縮縫少，行車舒適等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋存在的主要病害是主跨跨中下?lián)线^大、箱梁梁體產(chǎn)生裂縫?？缰邢?lián)蠒M(jìn)一步加劇箱梁底板開裂，而箱梁梁體裂縫增多使結(jié)構(gòu)剛度降低，進(jìn)一步加劇了跨中下?lián)?，這兩者互相影響形成了惡性循環(huán)，表1是幾座國內(nèi)主梁跨中下?lián)喜『Φ臉蛄簩?shí)例。主梁跨中下?lián)咸攸c(diǎn)表現(xiàn)為:撓度長期增長，增長率隨時(shí)間可能呈加速、降低或者保持勻速變化的趨勢;結(jié)構(gòu)的長期撓度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)計(jì)算的預(yù)計(jì)值。

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引起連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)线^大往往是沒有充分估算預(yù)應(yīng)力損失，主梁的抗裂度和剛度降低，從而導(dǎo)致?lián)隙冗^大。規(guī)范中關(guān)于鋼筋預(yù)應(yīng)力損失中雖然給出了六項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，但由于縱向預(yù)應(yīng)力損失受材料性能、施工工藝、環(huán)境條件等多方面的影響以及部分損失之間的相互影響，要準(zhǔn)確計(jì)算出其值是非常困難的。

本文從預(yù)應(yīng)力損失的角度，分析縱向和豎向預(yù)應(yīng)力對大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系挠绊?，并提出相?yīng)的控制措施。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋跨中下?lián)线^大的原因

1.1 混凝土徐變、收縮

混凝土的徐變收縮問題是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性問題。徐變因素的隨機(jī)性很大，根據(jù)目前的試驗(yàn)與理論研究水平，變異系數(shù)至少15% ～20%［1］。大跨徑混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用高強(qiáng)混凝土?，F(xiàn)有關(guān)混凝土徐變收縮理論均是針對普通混凝土具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。但是對高強(qiáng)混凝土的徐變收縮還認(rèn)識不清，導(dǎo)致設(shè)計(jì)預(yù)測撓度值與實(shí)際下?lián)锨闆r不符。連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)蠈炷列熳兪湛s特別敏感。

1.2 裂縫病害與下?lián)喜『ο嗷ヱ詈?/h3>

湖北黃石長江大橋等已建連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫病害現(xiàn)象嚴(yán)重，裂縫的增長使橋梁的結(jié)構(gòu)剛度降低，導(dǎo)致主梁的下?lián)希聯(lián)弦布觿×肆芽p的增長，兩者強(qiáng)烈耦合。同時(shí)，裂縫的增長增加了徐變作用的不確定性，使下?lián)喜『Ω悄：磺濉?/p>

1.3 預(yù)應(yīng)力損失

對混凝土徐變收縮的認(rèn)識不清將直接導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力作用分析的可靠性降低。而且，現(xiàn)有大量資料的分析表明，縱向預(yù)應(yīng)力束的實(shí)測μ、k值均比規(guī)范的值要大［7］。預(yù)應(yīng)力損失將減小結(jié)構(gòu)剛度，因此，預(yù)應(yīng)力參數(shù)值的誤差對加劇主梁下?lián)喜『τ忻黠@的影響。

1.4 橋梁自重超過設(shè)計(jì)值及超載

在很多已建連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，實(shí)際澆筑的混凝土量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，直接增加了橋梁的荷載，對主梁的跨中下?lián)嫌兄苯拥挠绊?。車輛的超載因素對過度下?lián)弦灿胁豢珊鲆暤挠绊?，超載車塞車更是設(shè)計(jì)中沒有考慮到的一種活載狀態(tài)，使運(yùn)營狀態(tài)中的實(shí)際應(yīng)力超出設(shè)計(jì)控制值［3］。

1.5 設(shè)計(jì)考慮不足

現(xiàn)有連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)計(jì)算軟件不能很好地反映其受力特性。諸多連續(xù)剛構(gòu)橋梁底線采用二次拋物線，其箱梁空間效應(yīng)明顯。有關(guān)對跨中底板縱向裂縫和底板混凝土外崩問題的分析，重要原因是對箱梁底板預(yù)應(yīng)力鋼束不利空間效應(yīng)分析不足［9］。此外，板件局部變形、剪滯作用和各種溫差的空間分布問題等，僅依靠平面桿系計(jì)算軟件和空間梁格理論進(jìn)行分析還不夠，必要時(shí)應(yīng)采用國際通用的有限元計(jì)算軟件進(jìn)行分析，以彌補(bǔ)規(guī)范不足。

1.6 施工原因

有關(guān)對高強(qiáng)混凝土徐變特性的試驗(yàn)研究表明，早齡期高強(qiáng)混凝土的徐變發(fā)展非常迅速，其速度隨加載時(shí)齡期的推遲而急速減慢［8］。為了縮短工期，工程廣泛采用早強(qiáng)劑，使徐變收縮特別是橋梁使用后期階段的徐變收縮增大，這對結(jié)構(gòu)非常不利，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上克服強(qiáng)度與徐變收縮的這對矛盾。此外，豎向預(yù)應(yīng)力的施工質(zhì)量問題，預(yù)應(yīng)力管道定位不準(zhǔn)，灌漿不足甚至未灌漿等問題，將導(dǎo)致不良后果。

2 預(yù)應(yīng)力損失影響分析

由于受到多種因素的影響，預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)加應(yīng)力并不是常量，而是隨時(shí)間增長而逐漸減小，預(yù)應(yīng)力筋這種預(yù)加應(yīng)力減少的現(xiàn)象稱為預(yù)應(yīng)力損失。引起預(yù)應(yīng)力損失的原因有很多，預(yù)應(yīng)力損失與施工工藝、材料性能及環(huán)境影響都有關(guān)系，影響因素復(fù)雜，一般應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，如無可靠試驗(yàn)資料，則可按照相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行估算。

2.1 有限元模型的建立

本文以混凝土三跨(46 m+80 m+46 m)A類預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，采用Midas/Civil軟件建立梁單元分析模型，連續(xù)剛構(gòu)橋主梁和橋墩都采用C55混凝土;預(yù)應(yīng)力鋼絞線類型采用公稱直徑15.24 mm;普通鋼筋采用HRB335。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

2.2 縱向預(yù)應(yīng)力損失分析

縱向預(yù)應(yīng)力的摩阻損失和豎向預(yù)應(yīng)力損失均按規(guī)范(JTJ 023－85)或設(shè)計(jì)文件計(jì)算的，但實(shí)際施工現(xiàn)場，縱向預(yù)應(yīng)力束，尤其是長束錨下張拉力和相應(yīng)張拉伸長量差值超過規(guī)范要求的±6%，有的甚至達(dá)到15%以上，可以認(rèn)為是由于預(yù)應(yīng)力束的材料、管道材料，施工中對管道定位不準(zhǔn)等原因造成的。

為了研究縱向預(yù)應(yīng)力損失對連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響，在正常使用階段，可以不考慮溫度的影響，只考慮在自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、二期恒載及0.7倍的活載的短期效應(yīng)組合下，下列5種情況做比較分析:(1)預(yù)應(yīng)力無損失;(2)預(yù)應(yīng)力損失10%;(3)預(yù)應(yīng)力損失20%;(4)預(yù)應(yīng)力損失30%;(5)預(yù)應(yīng)力損失50%。撓度和撓度增加值分析結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，各關(guān)鍵點(diǎn)的撓度也隨之增加。在無預(yù)應(yīng)力損失情況下，邊跨最大撓度為－8.0 mm，中跨最大撓度為－24.7 mm;預(yù)應(yīng)力損失10%時(shí)，中跨最大撓度為－28.2 mm，增加了14.2%;預(yù)應(yīng)力損失20%時(shí)，中跨最大位移－31.6 mm，增加了27.9%;預(yù)應(yīng)力損失30%時(shí)，最大位移為－35.2 mm，增加了42.5%;預(yù)應(yīng)力損失50%時(shí)，中跨最大位移－42.4 mm，增加了71.6%。最后一種工況時(shí)，應(yīng)力已經(jīng)超限，橋梁邊跨和中跨的位移也很大。

從圖3可以看出，主梁撓度增加的百分比和預(yù)應(yīng)力損失的百分比大概成正比關(guān)系。因此，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，主梁的撓度值也隨之增加，最終會導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋的撓度過大，出現(xiàn)裂縫等，不滿足使用和安全性的要求。

圖2 主梁撓度值(縱向預(yù)應(yīng)力損失)

圖3 主梁撓度增加值(縱向預(yù)應(yīng)力損失)

2.3 頂板束與底板束預(yù)應(yīng)力損失影響比較分析

預(yù)應(yīng)力鋼束分為頂板束和底板束，頂板束和底板束預(yù)應(yīng)力損失對撓度的影響不一定一樣。下面分兩種情況作分析比較:

(1)頂板束預(yù)應(yīng)力損失50%，底板束預(yù)應(yīng)力不變;

(2)底板束預(yù)應(yīng)力損失50%，頂板束預(yù)應(yīng)力不變。

在上面兩種情況下，分別提取主梁的彎矩、上緣和下緣的應(yīng)力及撓度值，比較預(yù)應(yīng)力損失對撓度影響的大小。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 主梁撓度增加值(頂板朿或底板朿預(yù)應(yīng)力損失)

通過圖4分析可知，主梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)的頂板束預(yù)應(yīng)力效應(yīng)減小會增大主梁的撓度。在預(yù)應(yīng)力同時(shí)損失50%的情況下，頂板預(yù)應(yīng)力束損失對撓度的影響比底板束損失要大。對于中跨的最大撓度，頂板束損失造成的撓度值增大量比底板束多了12.6 mm，占無預(yù)應(yīng)力損失跨中最大撓度值的32.5%。所以得知，頂板束在中跨減小撓度方面發(fā)揮著更大的作用。在邊跨里，頂板束損失造成的撓度值增大量比底板束多了5.2 mm，占無預(yù)應(yīng)力損失邊跨最大撓度值的65%。因此，頂板束在減小撓度方面發(fā)揮的作用更大。

2.4 豎向預(yù)應(yīng)力損失分析

豎向預(yù)應(yīng)力損失如果過大，會引起箱梁腹板斜向裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展，而裂縫的增多將會影響橫截面的剛度和結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的大小和分布，梁的撓度也就會增加。由于豎向預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撓度增加，故在做分析時(shí)可以減小相應(yīng)部位的剛度來模擬，如折減邊跨1/4處、跨中處、3/4處、中跨1/4處、跨中處附近的單元。為了比較剛度折減大小對撓度的影響，分為下列3種情況:(1)單元剛度保持不變;(2)剛度折減25%;(3)剛度折減50%。圖5為剛度折減后主梁撓度值。

圖5 剛度折減主梁撓度值

從圖5可以看出，部分梁段剛度的減小對撓度的影響不是很大，如9號節(jié)點(diǎn)處，剛度不折減的撓度為－4.5 mm，剛度折減25%后撓度為－4.6 mm，剛度折減50%后撓度也僅為－4.9 mm。剛度折減影響較大的梁段集中在邊跨跨中、中跨1/4處和跨中附近，這和折減單元位置吻合。由上面的分析可以知道，豎向預(yù)應(yīng)力損失是引起連續(xù)剛構(gòu)橋撓度增大的原因之一，但不是主要因素。

3 結(jié)論

以上分析了預(yù)應(yīng)力損失對連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響，包括縱向預(yù)應(yīng)力損失和豎向預(yù)應(yīng)力損失對撓度的影響，可以作以下的幾點(diǎn)總結(jié):

(1)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋對提升截面剛度，保證橋梁良好的受力狀態(tài)發(fā)揮著重要的作用。在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)規(guī)范要求下，預(yù)應(yīng)力鋼筋完全發(fā)揮作用時(shí)，預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋處于較好的承載力狀態(tài)。但是，由于各方面的原因，造成預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生損失，改變了橋梁的受力狀態(tài)，使橋梁的撓度增大。且在不考慮其他因素的綜合影響作用下，在一定范圍內(nèi)，橋梁的撓度增大值隨著預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失值成正比增大。

(2)懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁的頂板束對結(jié)構(gòu)撓度的影響比底板束大，在中跨尤為明顯，在邊跨也有反映。

(3)豎向預(yù)應(yīng)力主要限制裂縫的發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的剛度，對結(jié)構(gòu)的撓度有一定影響，但不是主要因素。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中過度下?lián)蠁栴}原因復(fù)雜，從根本上克服其過度下?lián)蠁栴}要從諸多方面考慮。現(xiàn)今急需規(guī)范有關(guān)設(shè)計(jì)施工方法，制定相關(guān)規(guī)范、技術(shù)指南，指導(dǎo)連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)。橋梁工程師們應(yīng)該具有主動防范意識，不應(yīng)該僅僅通過設(shè)置預(yù)拋高、后期加固等被動手段克服過度下?lián)希鴳?yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)主動對其進(jìn)行把握，保證結(jié)構(gòu)安全。

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