連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋收縮徐變效應(yīng)監(jiān)測與分析

程　輝，王鳴輝，梅秀道，葉仲濤，王　翔

（1.橋梁結(jié)構(gòu)與健康湖北省重點實驗室，湖北　武漢　430034；2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北　武漢　430034）

連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋收縮徐變效應(yīng)監(jiān)測與分析

程輝1，2，王鳴輝1，2，梅秀道1，2，葉仲濤1，2，王翔1，2

（1.橋梁結(jié)構(gòu)與健康湖北省重點實驗室，湖北武漢430034；2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北武漢430034）

摘要：對連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋箱梁溫度場及橋梁線形進行長期、連續(xù)監(jiān)測，通過主梁跨中下?lián)系睦碚撆c實測對比揭示了連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋收縮徐變效應(yīng)。對比了國內(nèi)外常用收縮徐變估算模型，選擇CEB-FIP徐變模型對黃河特大連續(xù)剛構(gòu)橋進行了有限元分析。采用實測溫度數(shù)據(jù)，以箱梁內(nèi)測溫度、外側(cè)溫度、頂?shù)装鍦囟忍荻?、左右?cè)溫度梯度作為箱梁溫度場的評判指標，對箱梁1年內(nèi)的四季溫度場分布進行分析。在基于相同溫度場的條件下，通過理論值與實測值對比，發(fā)現(xiàn)分析成果與實測結(jié)果較吻合，說明混凝土的收縮徐變是引起連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋跨中下?lián)系闹饕?，對比結(jié)果還說明通過改善箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力差能夠改善收縮徐變長期效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)；溫度場；線形；CEB-FIP；收縮徐變

0　引言

鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁檢測結(jié)果說明主梁下?lián)?，底板開裂是影響橋梁運營安全的主要危害。橋梁主梁下?lián)?，降低了橋梁混凝土抗裂性能，使橋梁底板裂縫提早出現(xiàn)，減小鐵路橋梁橫向及豎向剛度，進而使橋梁耐久性能下降，影響橋梁承載能力，威脅鐵路橋梁運營安全。

國內(nèi)外學者對引起連續(xù)剛構(gòu)箱梁跨中下?lián)系脑蜻M行了廣泛的研究與分析，認為結(jié)構(gòu)材料、荷載、環(huán)境及混凝土收縮徐變等是其主要原因［1］。針對混凝土收縮徐變的研究，自ASTM提出混凝土的徐變特性后，國內(nèi)外學者不斷完善了混凝土收縮徐變的分析方法和計算理論：CEB-FIP提出混凝土徐變系數(shù)為初始應(yīng)變、滯后彈變與流變之和；Z.P.BAZANT教授提出徐變和干燥徐變的BP模式，并給出了計算公式；我國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中，在Trost-Bazant理論基礎(chǔ)上，學者們提出中值系數(shù)法，并廣泛應(yīng)用于橋梁有限元分析［2-4］。

為驗證收縮徐變計算理論，早期鐵路橋梁主要采用人工定期檢測方式進行撓度長期監(jiān)測，由于缺乏連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)受到溫度等因素影響，使相關(guān)橋梁收縮徐變研究成果少、精度低。隨著橋梁監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)逐漸被重視，部分特大型、大型橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用長期連續(xù)監(jiān)測技術(shù)，解決了橋梁結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變性能難以監(jiān)測的問題，隨著橋梁監(jiān)測技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性的逐步提高，鐵路橋梁收縮徐變效應(yīng)的研究得到迅速發(fā)展。

以鐵路橋梁為工程背景，對鐵路橋梁溫度場及橋梁線形長期、連續(xù)監(jiān)測，提出箱梁溫度場評判指標，并對基于相同溫度場條件下的橋梁線形進行對比分析，結(jié)合混凝土不同收縮徐變模型的對比分析以及橋梁有限元理論分析成果，對鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變效應(yīng)進行了研究。

1　收縮徐變模型

表1列出了目前國外常用收縮徐變估算模型及相關(guān)函數(shù)，包括CEB-FIP1978模型、CEB-FIP1990模型、ACI209模型、GL2000系列模型和B3模型，中國現(xiàn)行鐵路橋梁規(guī)范主要采用的是CEB-FIP90模型。

表1中相關(guān)的收縮徐變模型及相關(guān)函數(shù)為經(jīng)驗公式或半理論半經(jīng)驗公式，CEB-FIP模型將徐變分為滯后彈變、瞬時流變和后繼流變3部分；美國混凝土協(xié)會推薦采用ACI-209模式，考慮了混凝土的各種因素，但不區(qū)分彈性變形和塑性變形，采用雙曲線函數(shù)；GL2000模型考慮了混凝土材料彈性模量、強度及養(yǎng)護條件等因素；B3模型用徐變函數(shù)表示單位應(yīng)力下的總應(yīng)變，徐變分為基本徐變和干燥徐變。

表1中不同的收縮徐變模型有其各自的提出背景和適用范圍，由于各個模型所考慮的影響因素不同，模型具有不同的預測精度。因此對于不同橋梁結(jié)構(gòu)及材料，選擇適合的收縮徐變模型十分重要。

表1　收縮徐變模型及相關(guān)函數(shù)Tab.1 Shrinkage and creep model and correlative functions

2　工程實例

大準增二線黃河特大橋為三跨預應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨度組成為96 m+132 m+96 m，邊、中跨跨度比為0.72。全橋懸澆段共分75個梁段（含兩個0號梁段），其中T構(gòu)懸臂對稱灌注17個梁段。主梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁及梁底以下3 m范圍內(nèi)采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土?；炷潦湛s徐變模型采用CEB-FIP1978規(guī)范標準。

圖1為大準增二線黃河特大橋撓度及溫度傳感器布置總體圖，其中Def 01～Def 08為撓度布置斷面，T 01～T 02為溫度布置斷面。圖2為T 01～T 02斷面溫度布置圖。撓度長期監(jiān)測系統(tǒng)采用封閉式液位連通管原理，全橋共布置8個斷面，采樣精度為0.5 mm，采樣頻率設(shè)置為1 Hz；溫度采用DB18B20傳感器，傳感器精度為0.5℃，采樣頻率為10 min /次。傳感器屬性見表2。

圖1　傳感器整體布置圖Fig.1 Overall layout of sensors arrangement

圖2　溫度及撓度傳感器布置斷面圖Fig.2 Arrangement section of temperature and deflection sensors

表2　傳感器數(shù)量及屬性Tab.2 Number and attribute of sensors

3　監(jiān)測及分析

對橋梁收縮徐變結(jié)果進行分析，需消除箱梁溫度場對橋梁撓度的影響，因此應(yīng)盡量采用同一溫度場作用下的箱梁撓度數(shù)據(jù)以便簡化分析。同季節(jié)或春、秋季箱梁不同時刻溫度場變化較小，將2013年12 月20日05時00分00秒、2014年5月15日06時02分16秒、2014年9月16日06時57分33秒、2014年12 月26日07時01分00秒分別設(shè)置為時刻1、時刻2、時刻3、時刻4，分析4個時刻的箱梁溫度場數(shù)據(jù)，其中時刻1與時刻4的間隔時間為371 d，時刻2與時刻3溫度場間隔時間為123 d。

3.1溫度測試分析

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋溫度場比較復雜，可通過連續(xù)監(jiān)測箱梁外側(cè)溫度、內(nèi)側(cè)溫度、內(nèi)外溫度梯度、頂?shù)诇囟忍荻鹊戎笜?，實現(xiàn)對箱梁溫度場的大致判定。由于現(xiàn)場安裝的溫度傳感器測試精度為0.5℃，若箱梁兩個時刻對應(yīng)的溫度場監(jiān)測指標差值δT小于系統(tǒng)精度0.5℃，則判定兩個時刻的溫度場基本相同。

圖3繪制了2013年12月-2014年12月全年的箱梁內(nèi)外側(cè)溫度時程圖，圖4分別繪制了時刻1與時刻4及時刻2與時刻3溫度梯度對比圖。表3列出了不同時刻對應(yīng)的溫度及溫度梯度值。由表3可見，時刻1與時刻4對應(yīng)的箱梁內(nèi)外側(cè)溫度梯度最大差值分別為5.6、5.7℃，頂?shù)装遄畲鬁囟忍荻炔钪捣謩e為1.2、0.8℃，底板左右側(cè)最大溫度梯度差值均為1.9℃，兩時刻的箱梁溫度場特征差值均小于系統(tǒng)傳感器的精度0.5℃，可認為時刻1與時刻4對應(yīng)的溫度場大致相同；同樣比較時刻2與時刻3對應(yīng)的箱梁內(nèi)外側(cè)溫度最小差值分別為-0.1、-0 .2℃，頂?shù)装遄畲鬁囟忍荻炔钪稻鶠?.4℃，底板左右側(cè)最大溫度梯度差值分別為0.5、0.8℃，兩時刻的箱梁溫度特征差值均小于0.5℃，可認為時刻2與時刻3對應(yīng)的溫度場大致相同。

圖3　溫度時程曲線圖Fig.3 History curve of temperature

圖4　溫度斷面梯度圖Fig.4 Temperature gradient chart（（1）-time1，（2）-time2，（3）-time3，（4）-time4）

表3　溫度數(shù)據(jù)分析表Tab.3 Analysis table of temperature data　/℃

3.2撓度測試分析

時刻1、4與時刻2、3箱梁撓度實測差值見圖5。圖5顯示從時刻2至時刻3之間123 d內(nèi)，中跨跨中斷面下?lián)?.5mm，邊跨跨中斷面下?lián)?.0mm；而時刻1橋梁合龍至時刻4為371 d，中跨跨中斷面下?lián)?.1mm，邊跨跨中斷面下?lián)?.1mm。

箱梁撓度理論與實測值見表4，表4中理論值采用規(guī)范推薦的徐變系數(shù)及CEB-FIP收縮函數(shù)。表4顯示時刻2至時刻3的123 d，最大偏差出現(xiàn)在主梁跨中測點（Def04），理論值為-1.7 mm，實測值為-1.5 mm；最大偏差為0.2 mm，實測值小于理論值；最小偏差出現(xiàn)在主梁1/4測點（Def03），理論值為-1.03 mm，實測值為-1 mm，實測與理論值偏差為0.03 mm。說明從時刻2至時刻3的123 d，橋梁收縮徐變效應(yīng)明顯，理論值與實測值偏差較小，采用的收縮徐變模型合理，理論分析及實測結(jié)果真實、可信。

表4還顯示時刻1橋梁合龍至時刻4為371 d，主梁跨中測點（Def04）理論值為-6.1 mm，實測值為-4.2 mm，實測值較理論值小1.9 mm；主梁跨中1/4測點（Def03）與3/4測點（Def05）實測值均大約小于理論值1.0 mm，說明橋梁合龍后進行了體外束張拉，有助于改善橋梁箱梁頂、底板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，減小橋梁收縮徐變長期效應(yīng)。

圖5　時刻1、4與時刻2、3撓度變化圖Fig.5 Deflection change chart of time 1，4 and 2，3

表4　理論值與實測值對比表Tab.4 Comparison of theoretical value and measured value

4　結(jié)語

以大準增二線黃河特大橋為工程背景，對橋梁在非荷載作用下的箱梁撓度變形進行了為期1年的監(jiān)測，并采用冬季及春秋季相同溫度場作用下的撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元理論值進行對比分析，主要得出以下結(jié)論：1）通過比較不同時刻的箱梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)溫度、頂?shù)装鍦囟忍荻取⒏拱遄笥覀?cè)溫度梯度等數(shù)值大小，將溫度傳感器的采樣精度作為判定箱梁溫度場是否相同的限值，提取了不同季節(jié)但具有相同溫度場的作用時刻，作為橋梁撓度對比分析的依據(jù)是可行的。

2）對連續(xù)剛構(gòu)主梁撓度1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，說明連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋采用連通管進行撓度監(jiān)測的方法是可行的，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性及完整性也滿足要求。

3）連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋跨中合龍1年后，箱梁呈現(xiàn)明顯下?lián)馅厔荩c理論分析結(jié)果趨勢相同，但與理論分析值相比較后發(fā)現(xiàn)，主跨跨中箱梁斷面下?lián)系乃俣绕?，對箱梁安全有利，后續(xù)還應(yīng)加強對箱梁跨中撓度的持續(xù)性監(jiān)測。

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［3］程輝，鐘繼衛(wèi)，李振東.軌道交通橋梁運營期橋面線形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析［J］.橋梁建設(shè)，2011（6）：32 -36.

［4］丁文勝，呂志濤，孟少平，等.混凝土收縮徐變預測模型的分析比較［J］.橋梁建設(shè)，2004（6）：13-16.

（責任編輯：陳曠）

Monitoring and Analysis on Shrinkage and Creep Effects of Continuous Rigid Frame Bridge

CHEN Hui1，2，WANG Minghui1，2，MEI Xiudao1，2，YE Zhongtao1，2，WANG Xiang1，2
（1.Key Laboratory of Bridge Structure Safety and Health of Hubei Province，Wuhan 430034，Hubei，China；2.Bridge Science Research Institute Ltd.，China Railway Major Bridge Engineering Group，Wuhan 430034，Hubei，China）

Abstract：For long-term and continuous monitoring of the railway bridge box beam temperature field and the bridge alignment of continuous rigid frame bridge，through the comparison of theoretical and measured value of excessive deflection in the midspan of girder，revealed the shrinkage and creep effects of the bridge.The common used domestic and overseas shrinkage and creep estimation models were compared，and the CEB-FIP creep model was selected for finite element analysis of the Yellow River large continuous rigid frame bridge.With the measured temperature data，and evaluation indexes which were inner and outer temperature of box girder，bottom and top temperature gradient，left and right temperature gradient，to analyze the temperature field distribution of box girder in four seasons in one year.Under the same temperature field，through the comparison of theoretical and measured value，it was found that the analysis results were consistent with the measured results，so it illustrates that the shrinkage and creep of concrete are the main reasons for excessive deflection in the midspan of railway continuous rigid frame bridge，the comparison results also illustrate that the improvement of stress difference of roof and floor of box girder can improve the long-term shrinkage and creep effects.

Keywords：continuous rigid frame bridge；temperature field；linear；CEB-FIP；shrinkage and creep

作者簡介：程輝（1978—），男，高級工程師，碩士，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與分析。

基金項目：湖北省自然科學基金項目（2013CFA135；2013CFB457）

收稿日期：2015-03-16

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.04.007

中圖分類號：U446.2

文獻標志碼：A

文章編號：1673-0143（2015）04-0323-05