連續(xù)梁橋線形控制的主要影響因素分析

王麗娟

(新疆西域公路建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆　烏魯木齊　830000)

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連續(xù)梁橋線形控制的主要影響因素分析

王麗娟

(新疆西域公路建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830000)

王麗娟(1977—)，助理工程師，研究方向：公路工程管理。

摘要：文章結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋工程實(shí)例，利用Midas/Civil有限元計(jì)算軟件，模擬計(jì)算了混凝土容重變化、預(yù)應(yīng)力變化、混凝土彈性模量變化、混凝土收縮徐變等因素對(duì)連續(xù)梁橋主梁線形控制的影響，并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出了降低影響的經(jīng)驗(yàn)建議。研究結(jié)果對(duì)于大跨徑連續(xù)梁橋的施工線形調(diào)整和施工過(guò)程監(jiān)控具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；線形控制；影響因素；容重變化；預(yù)應(yīng)力變化；混凝土彈性模量變化；徐變

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋通常采用懸臂澆筑法來(lái)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，主墩兩端采用掛籃對(duì)稱澆筑，邊跨部分采用支架現(xiàn)澆，跨中的合攏則在吊架上澆筑來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-3]。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主要施工順序?yàn)椋褐鞫盏膶?duì)稱懸臂澆筑→邊跨的合攏→跨中的合攏。懸臂澆筑時(shí)，主梁和主墩之間采用臨時(shí)固結(jié)方式，當(dāng)跨中合攏段施加預(yù)應(yīng)力完成后，取消臨時(shí)固結(jié)，此時(shí)，橋梁的體系結(jié)構(gòu)瞬間發(fā)生轉(zhuǎn)變，即靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋整個(gè)施工過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，包括主梁的懸臂澆筑施工，結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變過(guò)程。工程人員一般通過(guò)理論和數(shù)值模擬計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)主梁的內(nèi)力變化值和標(biāo)高值，然而，混凝土材料本身的分均質(zhì)性和不穩(wěn)定性，且外部環(huán)境因素(溫度、時(shí)間、濕度)和結(jié)構(gòu)自身的相互作用，使得橋梁結(jié)構(gòu)的線形發(fā)生變化，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)允許要求。這種線形的變化從橋梁自身結(jié)構(gòu)的安全性、美觀性、行車條件、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等方面給施工帶來(lái)很多不利的影響[4-6]。

本文基于此，結(jié)合某橋梁工程項(xiàng)目，利用有限元軟件分析了混凝土容重變化、預(yù)應(yīng)力變化、混凝土彈性模量變化、混凝土收縮徐變等主要因素對(duì)橋梁主梁線形控制的影響。

1工程概況

項(xiàng)目的大橋梁體全長(zhǎng)158.2 m，三跨(40+65+40)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。梁體采用變截面高度的單箱單室結(jié)構(gòu)。箱梁的頂寬為9.9 m，線間距為5.0 m。箱梁底寬為6.0 m，頂板厚度35 cm。橋面寬度：內(nèi)側(cè)凈寬度9.5 m，橋面板寬度9.9 m。橋面兩側(cè)設(shè)人行道，人行道寬1.2 m。全橋共有2個(gè)邊跨合攏段和中跨合攏段，合攏段部位長(zhǎng)2 m。

1.1　該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)速度：客車100 km/h，貨車80 km/h。

(2)線路情況：雙線直曲線，曲線半徑1 300 m，線間距為5 m。

(3)設(shè)計(jì)使用年限：在正常使用條件下橋梁整體的設(shè)計(jì)使用壽命為100年。

(4)施工方法：橋位懸臂澆筑施工。

(5)地震烈度：≤8度。

1.2　主要設(shè)計(jì)荷載

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重。

(2)附屬設(shè)施重(二期恒載)：包括路面結(jié)構(gòu)、防水設(shè)施、保護(hù)層、人行道板及護(hù)欄、聲屏障、電力支架等附屬設(shè)施重量，單側(cè)聲屏障按3.5 kN/m計(jì)算，二期恒載合計(jì)直線梁按130~145 kN/m計(jì)算，曲線梁按140~150 kN/m計(jì)算。

(3)施工荷載：施工掛籃、機(jī)具、人群等按680 kN計(jì)，當(dāng)與實(shí)際施工不符時(shí)，需要依據(jù)具體荷載重新計(jì)算。

1.3　主要材料

(1)混凝土：梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，封端采用強(qiáng)度等級(jí)為C45的干硬性補(bǔ)償收縮混凝土。

(2)縱向預(yù)應(yīng)力體系：采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

(3)普通鋼筋：HPB235鋼筋和HRB335鋼筋。

2計(jì)算介紹

Midas/Civil 2010有限元軟件是一個(gè)計(jì)算能力強(qiáng)大和簡(jiǎn)便的專門針對(duì)橋梁施工監(jiān)控計(jì)算的軟件。該計(jì)算軟件能夠?qū)︻A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋澆筑和張拉前后以及掛籃施工過(guò)程中梁體內(nèi)力變化進(jìn)行計(jì)算，并且能夠考慮材料因溫度變化和收縮徐變的影響。計(jì)算C50混凝土材料(含普通鋼筋)容重為γ0=26.71kN/m3，熱膨脹系數(shù)為1.00×10-5，泊松比為0.2，彈性模量為3.45×104MPa。通過(guò)有限元方法的計(jì)算，依據(jù)橋梁分段情況，將橋梁劃分為68個(gè)單元，69個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為了保證大跨度連續(xù)梁橋的實(shí)際線形與實(shí)際線形的一致性。需要全面分析各方面因素，分析這些因素對(duì)橋梁施工的影響狀況，便于施工的有效控制。本文主要考慮混凝土容重變化、預(yù)應(yīng)力變化、混凝土彈性模量變化、混凝土收縮徐變(由相對(duì)濕度、加載時(shí)間和順序引起的)等四個(gè)主要因素對(duì)橋梁線形控制的影響。

3線性控制主要影響因素分析

3.1　混凝土容重變化對(duì)主梁線形控制的影響

大橋的主梁采用的混凝土標(biāo)號(hào)為C50，C50混凝土孔隙較少，實(shí)測(cè)的容重通常比規(guī)范要求大，因此，主要考慮將混凝土容重的規(guī)范值增加5%和10%，分析全橋主梁的撓度值變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1　混凝土容重對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

從圖1可知，主梁跨中的撓度隨著混凝土容重的增加逐漸減小。當(dāng)混凝土的撓度值為規(guī)范值時(shí)，跨中的最大垂直撓度值約為13.5mm，邊跨的最大撓度值約為3.3mm，混凝土的容重提高5%時(shí)，跨中撓度值減小為12.2mm，邊跨撓度值變化不大。混凝土的容重提高10%時(shí)，跨中撓度值減小約為11.5mm，邊跨撓度值變化不大。因此，混凝土容重的變化對(duì)中跨的線形變化影響明顯，對(duì)邊跨的影響作用不大。

3.2　預(yù)應(yīng)力變化對(duì)主梁線形控制的影響

預(yù)應(yīng)力的損失對(duì)于大跨徑橋梁的線形控制來(lái)說(shuō)非常重要。預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，由于施工和材料等方面的原因，使預(yù)應(yīng)力損失。本文主要考慮預(yù)應(yīng)力張拉不足或者超張拉對(duì)橋梁擾度值變化的影響，即在張拉控制應(yīng)力N=70%σcon的基礎(chǔ)上，計(jì)算預(yù)應(yīng)力為N+5%和N-5%的橋梁撓度變化值，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2　預(yù)應(yīng)力變化對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

從圖2中可以看出，張拉預(yù)應(yīng)力變化對(duì)橋梁中跨和邊跨的撓度影響非常明顯，撓度值變化較大。張拉預(yù)應(yīng)力為65%σcon，跨中的撓度值約為10mm，邊跨撓度值約為2.5mm，張拉預(yù)應(yīng)力為70%σcon，跨中撓度值約為14mm，邊跨撓度值約為3.5mm，而張拉預(yù)應(yīng)力為75%σcon，跨中撓度值約為17mm，邊跨撓度值約為3.8mm。隨著混凝土容重增加或減小5%，中跨的撓度值變化在3~4mm之間，邊跨撓度值的變化在1mm之內(nèi)。

3.3　混凝土彈性模量變化對(duì)主梁線形控制的影響

材料的彈性模量的大小與結(jié)構(gòu)的變形有著密切的關(guān)系。尤其是彈性模量非線性變化的材料，隨著時(shí)間的增加，彈性模量也逐漸變化。因此，本文在考慮混凝土模量規(guī)范值的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加和減小20%的彈性模量，來(lái)計(jì)算和分析主梁的撓度值變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3　彈性模量對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

從圖3中可知，改變混凝土彈性模量的大小對(duì)主梁撓度變化的影響作用顯著。當(dāng)混凝土的彈性模量為Ep時(shí)，主梁的跨中撓度值為13.5 mm，邊跨的撓度值為3.5 mm。當(dāng)減小20%的彈性模量時(shí)，主梁跨中撓度值相應(yīng)地增加約為26%，邊跨撓度值增加約為22.9%；當(dāng)彈性模量增加20%時(shí)，主梁跨中撓度值相應(yīng)地減小了約17%，邊跨撓度值減小了約20%。

3.4　混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形控制的影響

3.4.1相對(duì)濕度不同對(duì)混凝土收縮徐變撓度的影響

環(huán)境的響度濕度的變化，能夠影響混凝土中水泥水化作用的快慢。相對(duì)濕度較大，水化作用反應(yīng)明顯，形成的水泥膠凝結(jié)構(gòu)越多，使得混凝土在加載初期的徐變和收縮變化較??；反之，相對(duì)濕度越小，則對(duì)徐變和收縮的影響越大。橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，通常取規(guī)范值，計(jì)算的模式主要有以下兩種方式：(1)年平均相對(duì)濕度變化為40%

圖4　相對(duì)濕度對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

從圖4中可以看出，相對(duì)濕度RH=55%時(shí)，本橋跨中單元撓度值約為14 mm，相對(duì)濕度RH=80%時(shí)，跨中撓度值約為13 mm。整體來(lái)講，相對(duì)濕度較低，混凝土的撓度值的變化在1 mm左右。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工中橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的濕度應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，以減小混凝土的收縮和徐變對(duì)橋梁線形控制的影響。

3.4.2加載齡期長(zhǎng)短對(duì)混凝土收縮徐變撓度的影響

由于混凝土連續(xù)梁橋施工工期通常會(huì)因?yàn)樘鞖夂褪┕l件的限制而延長(zhǎng)或縮短。混凝土梁通常在澆筑后的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉作業(yè)，由于混凝土沒達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期，變形較大，影響主梁后期的撓度值增加[7-8]。因此，加載齡期對(duì)混凝土徐變有很大影響。

基于此，本文主要模擬加載齡期分別為3 d、7 d、14 d的條件下，混凝土梁橋后期撓度的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　加載齡期對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

從圖5可知，不同混凝土的加載齡期對(duì)主梁后期的撓度值變化有影響?；炷脸跗诩虞d齡期與主梁的后期撓度值變化成反比關(guān)系，即加載齡期越短，橋梁的后期撓度值變化越大，加載齡期越長(zhǎng)，橋梁的后期撓度值變化越小；主梁跨中撓度值在加載齡期3 d時(shí)為13.9 mm，因此，在保證主梁線形控制時(shí)，混凝土的加載齡期不宜過(guò)早，應(yīng)該適當(dāng)延遲幾天。

3.4.3延期加載恒載時(shí)間對(duì)混凝土收縮徐變撓度的影響

通常條件下，橋梁全部合攏完工后，規(guī)定60 d內(nèi)二期恒載加載完畢。為了探討二期恒載加載時(shí)間對(duì)主梁撓度值的影響，本文在其他條件一致時(shí)，采取延期60 d和200 d完成加載兩種模擬方式，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6　延期加載恒載時(shí)間對(duì)主梁撓度值變化的影響示意圖

通過(guò)圖6曲線變化的對(duì)比分析可知，中跨和邊跨恒載延期200 d加載比延期60 d加載的主梁后期撓度值變化都減小了1~2 mm。施工中，通常工期的變化導(dǎo)致二期恒載加載的時(shí)間無(wú)法確定，而恒載加載的時(shí)間延長(zhǎng)，全橋的撓度值變化有減小的趨勢(shì)，所以，選擇合理的恒載加載時(shí)間對(duì)于線形的控制具有重要的意義。

4改善建議

通過(guò)以上混凝土容重變化、預(yù)應(yīng)力變化、混凝土彈性模量變化、混凝土收縮徐變(由相對(duì)濕度、加載時(shí)間和順序引起的)等主要因素對(duì)主梁后期撓度變化影響的分析。本文提出了以下建議來(lái)降低這些因素對(duì)撓度的影響：

(1)適當(dāng)?shù)卦黾踊炷恋娜葜睾蛷椥阅Ａ看笮?lái)減小擾度的變化，數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)值之間存在誤差，需要通過(guò)測(cè)量混凝土的容重和彈性模量的實(shí)測(cè)值，來(lái)減小這種誤差。

(2)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，應(yīng)該通過(guò)控制千斤頂油表變化和伸長(zhǎng)量來(lái)保障張拉效果，避免張拉不到位造成撓度過(guò)大，特殊情況可采用超張拉。

(3)混凝土的徐變和收縮對(duì)主梁的后期撓度變化影響較大，應(yīng)該考慮相對(duì)濕度、混凝土加載齡期和恒載加載時(shí)間對(duì)橋梁撓度的影響。為減小混凝土加載齡期過(guò)短對(duì)橋梁主梁撓度的影響程度，有限元計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)該將加載齡期改變?yōu)? d更為合理。

5結(jié)語(yǔ)

本文主要運(yùn)用有限元計(jì)算軟件模擬計(jì)算分析了混凝土容重變化、預(yù)應(yīng)力變化、混凝土彈性模量變化、相對(duì)濕度、加載時(shí)間和混凝土加載齡期對(duì)連續(xù)梁橋撓度變化的影響。同時(shí)依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)了幾點(diǎn)降低影響因素的經(jīng)驗(yàn)建議。研究結(jié)果對(duì)于大跨徑連續(xù)梁橋的施工線形調(diào)整和施工過(guò)程監(jiān)控具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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Analysis on Main Influencing Factors for Linear Control of Continuous Girder Bridge

WANG Li-juan

(Xinjiang Xiyu Highway Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：Combined with the engineering practices of a prestressed concrete continuous girder bridge，and by using the Midas/Civil finite element software，this article simulated and calculated the impact of concrete density changes，prestress changes，concrete elastic modulus changes，concrete shrinkage and creep，and other factors on the main beam alignment control of continuous girder bridge，and based on simulation results，it proposed the experience recommendations to reduce the impact. The research results have a certain guiding value for construction linear adjustment and construction process monitoring of large-span continuous girder bridge.

Keywords：Continuous girder bridge；Linear control；Influencing factors；Density change；Prestress changes；Concrete elastic modulus change；Creep

收稿日期：2015-07-03

文章編號(hào)：1673-4874(2015)08-0056-05

中圖分類號(hào)：U448.21+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.014

作者簡(jiǎn)介