多跨連續(xù)梁合龍順序的優(yōu)化以及混凝土初始加載齡期的探討＊

方淑君，肖嘯，李杰

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

1 工程概況

衡陽耒河大橋是一座京廣上行鐵路改造橋梁，是一座六跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長(36+4×64+36)=即828 m，由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，全橋每個(gè)T構(gòu)為8個(gè)對稱澆注梁段，中支點(diǎn)0號(hào)梁段長度9 m，懸臂梁段長度分成3．0 m和3．5 m，合龍段長2．0 m，邊跨現(xiàn)澆段都是5．6 m，梁體各控制斷面梁高分別為:端支座處及邊跨直線段和跨中處為3．05 m，中支點(diǎn)處梁高為5．2 m，梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑 R=206．337 m，箱梁頂寬13．5 m，箱梁底寬 6．4 m，在中支座 3．2 m 范圍內(nèi)和邊支座2．8 m范圍內(nèi)加寬到6．9 m，為單箱單室，變高度，變截面結(jié)構(gòu)。全橋在端支點(diǎn)，中支點(diǎn)，跨中設(shè)置共11道橫隔梁，橫隔梁處設(shè)進(jìn)入孔，供檢查人員通過，箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂板厚中跨 44．5 cm，支座處 54．5 cm，腹板厚分別為45，60和80 cm，底板厚由跨中的45 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的80 cm，縱向預(yù)應(yīng)力束規(guī)格有15－7￠5與12－7￠5共2種，預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)為0．23，管道偏差系數(shù)取0．0025，耒河大橋總體布置圖見圖1所示，典型截面尺寸見圖2和圖3。

圖1 耒河大橋布置圖Fig．1 Arrangement diagram of lei he bridge

圖2 跨中截面(cm)Fig．2 cross－ section of midspan

圖3 支座處截面(cm)Fig．3 cross－section of support

2 合龍段施工順序

不同橋梁合龍段施工順序，將引起不同的施工內(nèi)力，甚至結(jié)構(gòu)內(nèi)力再分配效應(yīng)。因此，影響結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力分布是否合理，主要看橋梁合龍段施工順序是否適當(dāng)［1］。另外，施工單位根據(jù)合龍段施工的施工組織安排，以滿足各墩相應(yīng)的匹配進(jìn)度。橋梁的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工的具體情況有一些差距，到了合龍施工階段，這種差距累積是相當(dāng)大的，這些問題都需要在合龍段的施工中得到適當(dāng)解決?？傊?，成熟的合龍技術(shù)是橋梁建造成功的前提。而合龍段的施工順序也是合龍段的重要決策之—。本文為了探討合理的施工合龍順序比較了4種不同的合龍順序，分別是:(1)先邊跨后次中跨最后中跨;(2)先邊跨再中跨最后次中跨;(3)先中跨再次中跨最后邊跨;(4)先中跨后邊跨最后次中跨，從而使橋梁由T形的靜定懸臂狀態(tài)漸漸的成為超靜定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，全橋懸臂澆筑合龍方案見圖4～7。

圖4 合龍方案1Fig．4 Closure program 1

圖5 合龍方案2Fig．5 Closure program 2

圖6 合龍方案3Fig．6 Closure program 3

圖7 合龍方案4Fig．7 Clo4sure program 4

3 合龍方案的對比

懸臂施工的連續(xù)梁由于合龍次序的不同而有不同的施工內(nèi)力分布，因此，可以通過優(yōu)化合龍次序來使梁成橋時(shí)的受力狀態(tài)更加合理。在進(jìn)行各種體系轉(zhuǎn)換方案的比選時(shí)，應(yīng)綜合考慮施工最終合龍后的恒載內(nèi)力分布情況、最大累計(jì)變形等，進(jìn)行全面比較后確定合理的合龍方案。根據(jù)施工步驟，對梁體施工過程進(jìn)行仿真分析，比較分析本橋上述4種初步合龍方案的幾項(xiàng)內(nèi)力和最大累積變形進(jìn)而指導(dǎo)施工或者考慮實(shí)際施工條件進(jìn)行必要合理變更。

采用MIDAS有限元軟件分別按照本橋4種合龍施工順序建立梁單元有限元模型，耒河大橋有限元模型主要包括主梁、支座約束(包括臨時(shí)約束)、預(yù)應(yīng)力鋼束，全橋共126個(gè)單元、158個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算成橋時(shí)各跨在短期效應(yīng)組合(恒載+預(yù)應(yīng)力+0．7活載)作用下最大跨中截面底板應(yīng)力和各跨在承載能力下最大累計(jì)變形，有限元模型見圖8所示。混凝土的徐變系數(shù)按JTGD 62—2004(《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》)［2－3］取用，計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

圖8 有限元模型Fig．8 Finite element model

表1 跨中底板壓應(yīng)力Table 1 Pressure stress of slab bottom in midspan MPa

圖9 各跨跨中底板應(yīng)力Fig．9 Pressure stress of slab bottom in midspan

表2 最大累計(jì)位移Table 2 Maximum deflection mm

圖10 各跨跨中撓度Fig．10 the deflection of the central span

通過計(jì)算分析，對比方案一到方案四，從表1～2以及圖9～10，可見:方案一到方案四邊跨和中跨撓度變化都不大，只有方案二次中跨撓度比其他3種方案的次中跨撓度都小。所以，從跨中撓度來看方案二也就是設(shè)計(jì)方案比其他3種方案都有優(yōu)勢，從圖2－3也可以看出方案二的跨中撓度也比其他3種方案更合理，對于應(yīng)力結(jié)果，由表1和圖9可知4種方案的底板壓應(yīng)力都比較接近，由于是短期組合作用下的最小壓應(yīng)力，所以，壓應(yīng)力儲(chǔ)備也足夠，符合設(shè)計(jì)要求，綜合考慮合龍后的撓度以及壓應(yīng)力儲(chǔ)備來說設(shè)計(jì)方案二也就是先邊跨再中跨最后次中跨的方案較另外3種方案更合理。通過對耒河大橋合龍順序的不同分析可以得出:不同的合龍順序?qū)е陆Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)間、受混凝土收縮徐變影響時(shí)間、受合龍鋼束張拉所產(chǎn)生的撓度均不相同，因此，結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力都不同且位移相差較大。通過優(yōu)化合龍施工順序可以減少后期撓度，能保證合龍的精確性。

4 初次加載齡期對后期撓度的影響

混凝土的收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響大且持續(xù)時(shí)間長［4］，影響混凝土的收縮徐變的因素很多，歸納起來就是外部因素和內(nèi)部因素的影響，初始加載齡期是外部因素的一種?；炷列熳冸S加載齡期的增長而單調(diào)地衰減，又隨著加載持續(xù)時(shí)間的增加而單調(diào)地增加，但增加的速度隨時(shí)間的增加而衰減［5］。利用橋梁空間有限元分析軟件MIDAS建立耒河大橋梁單元有限元模型，考慮混凝土加載零期為3，5，7和10 d這4種工況作用下，橋梁成橋后在預(yù)拱度組合(恒荷載+鋼束預(yù)加力+徐變收縮+1/2活載)作用下各跨跨中的撓度，在預(yù)拱度組合作用下各跨位移都是往上拱，成橋后在徐變和收縮作用下會(huì)使橋梁跨中會(huì)越來越往上拱，為了防止徐變收縮對橋線型的影響，需要在施工中設(shè)置預(yù)拱度以保證行車線型，以免橋梁發(fā)生上拱破壞。對于收縮徐變計(jì)算關(guān)鍵是確定混凝土徐變系數(shù)，目前對于混凝土徐變分析主要依據(jù)徐變預(yù)測模型，目前國內(nèi)外有很多的預(yù)測模型［6－9］，本文采用我國 JTG D62—2004(《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》)模型［10］，不同加載齡期徐變系數(shù)見圖11。

圖11 C50混凝土加載10年過程徐變系數(shù)變化曲線Fig．11 the creep coefficient curves of C50 concrete load 10－year

工況一:橋梁施工時(shí)混凝土初次加載齡期為3 d。按工況一施工成橋后，考慮橋梁各跨在竣工成橋狀態(tài)下，以及考慮成橋3 a、成橋10 a的跨中撓度見表3。

表3 工況一下各跨跨中撓度Table 3 Deflection of the central span in program 1 mm

工況二:橋梁施工時(shí)混凝土初次加載齡期為5 d。按工況二施工成橋后，考慮橋梁各跨在竣工成橋狀態(tài)下，以及考慮成橋3年，成橋10年的跨中撓度見表4。

表4 工況二下各跨跨中撓度Table 4 Deflection of the central span in program 2 mm

工況三:橋梁施工時(shí)混凝土初次加載齡期為7 d。按工況三施工成橋后，考慮橋梁各跨在竣工成橋狀態(tài)下，以及考慮成橋3 a、成橋10 a的跨中撓度見表5。

表5 工況三下各跨跨中撓度Table 5 Deflection of the central span in program 3 mm

工況四:橋梁施工時(shí)混凝土初次加載齡期為10 d。按工況四施工成橋后，考慮橋梁各跨在竣工成橋狀態(tài)下，以及考慮成橋3 a、成橋10 a的跨中撓度見表6。

表6 工況四下各跨跨中撓度Table 6 Deflection of the central span in program 4 mm

對比表3～6的各跨跨中撓度以及圖12～14可知:各個(gè)工況在竣工成橋狀態(tài)下相比成橋3 a和成橋10 a的撓度要小，說明混凝土徐變收縮在成橋運(yùn)營狀態(tài)下仍然在緩慢發(fā)生，成橋3 a和成橋10 a在加載齡期為3，5，7和10 d時(shí)撓度變化相差不大，表明混凝土橋梁的收縮徐變基本上在3 a之內(nèi)便已經(jīng)完成。通過比較在4個(gè)工況作用下邊跨，中跨，次中跨在成橋狀態(tài)下，成橋3 a、成橋10 a的撓度，考慮到耒河大橋的對稱只取3跨，如圖12～14所示。由于最后合成的次中跨不管初始加載齡期是3，5，7和10 d，次中跨的撓度都比邊跨和中跨大，加載齡期為3 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成橋后，隨著時(shí)間推移，撓度最大;加載齡期為10 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成橋后，隨著時(shí)間推移撓度最小;加載齡期為5～7 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成后撓度鑒于兩者之間，隨著加載齡期時(shí)間的延長，耒河大橋橋成橋后跨中上撓的現(xiàn)象逐漸緩解。由此看出適當(dāng)延長混凝土加載齡期對減小徐變收縮效應(yīng)有一定作用的，由于施工現(xiàn)場采用的都是早強(qiáng)混凝土，這就需要通過試驗(yàn)確定合理的加載齡期來減少后期撓度。

圖12 邊跨跨中撓度Fig．12 the deflection of side span

圖13 次中跨跨中撓度Fig．13 the deflection of the second span

圖14 中跨跨中撓度Fig．14 the deflection of the central span

5 結(jié)論

(1)多跨連續(xù)梁合龍成橋，不同的合龍順序，使得成橋后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也有較大的差別。若預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁合龍后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布均勻，且對于抵消成橋后活載作用及因混凝土徐變而引起的梁體撓度有較大的壓力安全儲(chǔ)備，則認(rèn)為該合龍方案最好。通過對耒河大橋合龍順序的不同分析可以得出:不同的合龍順序?qū)е陆Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)間、受混凝土收縮徐變影響時(shí)間、受合龍鋼束張拉所產(chǎn)生的撓度均不相同，因此，結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力都不同且位移相差較大。通過優(yōu)化合龍施工順序可以減少后期撓度，能保證合龍的精確性。

(2)徐變收縮對混凝土橋梁的影響時(shí)間跨度長，而且與結(jié)構(gòu)形式、材料特性以及施工方法等因素有關(guān)。反映在以懸臂澆筑法施工的大跨度連續(xù)混凝土箱梁橋上，從梁段懸臂澆筑一開始，徐變就開始了對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。懸臂施工混凝土的初始加載齡期對是影響徐變收縮的1個(gè)因素，加載齡期為3 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成橋后，隨著時(shí)間推移撓度最大;加載齡期為10 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成橋后，隨著時(shí)間推移撓度最小;加載齡期為5～7 d時(shí)，多跨連續(xù)梁橋成后撓度鑒于兩者之間，隨著加載齡期時(shí)間的延長，耒河大橋成橋后跨中上撓的現(xiàn)象逐漸緩解。由此看出適當(dāng)延長混凝土加載齡期對減小徐變效應(yīng)是有一定作用的，由于施工現(xiàn)場采用的都是早強(qiáng)混凝土，這就需要通過試驗(yàn)確定合理的加載齡期來減少后期撓度。

［1］范立礎(chǔ)．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］．北京:人民交通出版社，1998．FANLichu．Prestressed concrete continuous beam bridge［M］．Beijing:People＇s Communications Press，1998．

［2］JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．JTG D60—2004，General code for design of highway bridges and culverts［S］．

［3］JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．JTG D62—2004，Code for design of highway reinforced and prestressed concrete bridges and culverts［S］．

［4］郭玉峰．大跨度混凝土連續(xù)梁收縮徐變對預(yù)拱度設(shè)置影響研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2009:5—2．GUOYufeng．Research of the influence of large－span continuous concrete bridge creep on setting camber［J］．Wuhan:Wuhan university of technology，2009:5—2．

［5］熊維．不同強(qiáng)度早齡期混凝土徐變及徐變對長期荷載作用下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的影響［D］．天津:天津大學(xué)，2011:4—25．XIONG Wei．Different early － age strength of concretecreep and creep under load for long－term effects of prestressed beamMaster degree thesis［D］．Tianjing:Tianjing University，2011:4—25．

［6］楊小兵．混凝土收縮徐變預(yù)測模型研究［D］．武漢:武漢大學(xué)，2004．YANG Xiaobing．Research on prediction model of concrete shrinkage and creep［D］．Wuhan:Wuhan university，2004．

［7］Mcdonald D B，Roper H．Accuracy of predication models for shrinkage of concrete，ACI Materials Journal，May －June 1993:265－271．

［8］Bazant Z P．Improved prediction model for time－dependent deformations of concrete:Part 2 － Basic creep［J］．Materials and Structures，1991(24):409 －421．

［9］ Bezant Z P，Baweja S．Justification and refinements of Model B3 for concrete creep and shrinkage 1．Statistics and sensitivity［J］．Materials and Structures，1995(28):415－430．

［10］張漢一．徐變對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋施工線形控制的影響［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，9(4):14－18．ZHANG Hanyi．Effect of creep on the construction of linear control of large－span prestressed concrete continuous box beam bridge［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2012，49(1):14 －18．