城市橋梁索輔體系設計長期性能研究

趙 松

(珠海市交通勘察設計院有限公司廈門分公司，福建 廈門 360012)

城市橋梁索輔體系設計長期性能研究

趙 松

(珠海市交通勘察設計院有限公司廈門分公司，福建 廈門 360012)

簡述了索輔體系橋梁的結構特點，對城市橋梁混凝土收縮和徐變的誘發(fā)機理進行了分析，并以三好橋為例，對該橋主梁撓度、塔頂水平位移、主梁內力等進行了研究，同時提出了改善索輔體系橋梁長期性能的措施，以供參考。

橋梁，索輔體系，性能，混凝土

1 城市橋梁索輔體系

“索輔梁橋”的概念由鄧文中教授提出，即在橋梁設計的過程中，改變原有只考慮主梁受力的梁橋設計模式或只考慮斜拉索受力的常規(guī)斜拉橋設計模式，代替以主梁、斜拉索組合受力的設計模式，從而充分發(fā)揮其各自的材料性能，以達到最大的經濟和社會效益。鑒于索輔體系橋梁的上述優(yōu)點，它一定會在不遠的將來廣泛出現(xiàn)于城市的江河之上。所以，系統(tǒng)深入地研究這種新興的結構體系，掌握其結構特點，得出該類橋型的適用范圍、設計參數(shù)的影響因素及長期使用性能，有助于今后更好地發(fā)揮索輔體系橋梁的優(yōu)勢，從而造福于社會。

2 城市橋梁混凝土的收縮和徐變

收縮和徐變是混凝土材料作為彈性粘滯體關于時間變化的重要物理力學性質，其對混凝土結構長期性能的影響受到了國內外學者的廣泛關注，并取得了一系列研究成果。雖然收縮和徐變都與混凝土的材料性質有關，但收縮和徐變的誘發(fā)機理卻完全不同。

2.1 混凝土的收縮

混凝土的收縮是由于混凝土體內水化反應、水泥凝膠體中吸附水蒸發(fā)、水泥凝膠體與外界環(huán)境反應等因素，而使混凝土本身體積縮小的一種物理化學現(xiàn)象。它的產生和發(fā)展與外荷載無關，而僅僅依賴于時間。誘發(fā)混凝土收縮的因素很多，不同的機理會對收縮有不同的影響。在混凝土產生的收縮總量中自發(fā)收縮所占的比重較小，其值在一個月時為40 με，到五年之后也只達到100 με；而大量的試驗研究表明，當碳化收縮在空氣濕度為100%或小于25%時就會停止。在收縮總量中，干燥收縮所占的比例最大。

2.2 混凝土的徐變

混凝土的徐變是指在長期荷載作用下，混凝土隨時間增長而產生的非彈性變形。經國內外學者的大量研究表明，徐變變形在加載初期增長顯著，之后逐漸減慢，通常在5年～15年后達到極值。與收縮變形不同，混凝土徐變變形的累計值一般都很大，可達彈性變形的1倍～3倍。由于混凝土收縮變形與結構體系和外部荷載無關，其影響因素主要屬于建筑材料學科的范疇，本文不予研究。而徐變變形除受到構件性質和環(huán)境條件的影響外，還與混凝土的加載齡期、應力水平和荷載作用時間有關。這部分影響因素與橋梁結構的設計關系密切，也是本文研究的重點。

3 索輔體系橋梁長期性能分析

三好橋作為索輔體系橋梁的代表，其長期性能可以反映這類體系的共性，因此研究三好橋收縮徐變效應對于掌握該類體系的特點，指導其設計具有現(xiàn)實意義。

評價索輔體系橋梁長期性能的好壞，主要借鑒常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋的方法，計算橋梁隨成橋時間的增長而產生的主梁撓度、內力、拉索索力、塔頂水平位移等指標的變化。本文在計算過程中，根據(jù)橋梁設計資料，主梁混凝土加載齡期取28 d，以正裝成橋時刻為基準，分別計算橋梁在建成0.5年，1年，2年，5年，10年，20年，30年時的結構狀態(tài)。

3.1 主梁撓度分析

三好橋隨建成時間的增長，主梁撓度在收縮徐變作用下逐漸增大，但是其趨勢逐漸減小。成橋5年的下?lián)现嫡汲蓸?0年下?lián)峡偭康?0%，表明收縮徐變在結構建成初期效應明顯。橋梁建成30年后，主梁最大撓度為25.51 mm，撓跨比為1/3 920，遠小于連續(xù)梁橋收縮徐變引起的撓跨比。由此可得，三好橋的長期撓度小于連續(xù)梁橋，在建成多年后仍能保持良好的橋面線形。

3.2 塔頂水平位移分析

三好橋的橋塔是V形鋼拱塔，用10對水平索聯(lián)系在一起形成的受力整體，屬于異型結構。橋塔變形、受力與水平索和斜索索力有著密切關系，而且長期運營過程中受力狀態(tài)的好壞與成橋時刻橋塔受力狀態(tài)有關。對于雙鋼拱塔結構，在設計、施工時通常在定位時給結構一定的預偏量，從而保證拉索按施工順序張拉完成之后鋼拱塔受力以拱形受壓為主。通過計算MIDAS/Civil計算得到，三好橋合理成橋狀態(tài)時兩鋼拱塔均向岸側偏移，此時塔根彎矩為25 700 kN·m。徐變效應使索力降低且斜索力下降幅度大于水平索力，從而引起塔頂逐漸向江側偏移，這對減小塔根彎矩具有積極的影響。經計算，成橋30年時，塔頂向江側移動5.49 mm，塔根彎矩減小到22 930 kN·m，比剛成橋時減小10.8%。這一計算結果表明，對于類似三好橋這樣的雙拱塔結構橋梁，在施工控制的過程中，可以讓橋塔在成橋時刻略微向岸側偏移，在長期運營過程中，橋塔會慢慢恢復到最佳狀態(tài)，使塔根受力達到最佳。

3.3 主梁內力分析

在徐變長期作用下，主梁正負彎矩均呈增大趨勢，且隨時間的增長，趨勢逐漸減緩。徐變效應在橋梁建成初期對內力影響大，橋梁建成10年后，主梁彎矩值占成橋30年后彎矩值的90%以上，表明成橋10年之后，徐變對主梁彎矩影響基本完成。主梁跨中正彎矩對徐變效應的敏感度高于塔底支座負彎矩。成橋30年后，主梁跨中正彎矩比剛成橋時增大了47.2%，而塔底支座負彎矩只增大了26.1%。

4 索輔體系橋梁長期性能改善措施研究

對于索輔體系橋梁來說，收縮徐變對橋梁結構的長期影響主要表現(xiàn)在主梁彎矩的增加，而主梁撓度和拉索索力并沒有太大的變化。經過研究混凝土加載齡期對長期性能的影響，本文發(fā)現(xiàn)通過控制主梁加載齡期來改善索輔體系橋梁的彎矩是不顯著的，也是不現(xiàn)實的。經前文分析得到的只考慮混凝土收縮徐變效應的索輔體系橋梁長期性能良好，除主梁彎矩外，其余各項指標與成橋狀態(tài)相比均變化較小。但是實際的橋梁結構在多種因素的共同作用之下，其長期性能是各種效應耦合作用的結果。根據(jù)當前的工程經驗，可以預見到在實際的運營過程中，橋梁長期的內力和位移效應將會產生更加嚴峻的后果。因此，有必要研究索輔體系橋梁長期性能的改善方法。

1)設計階段改善索輔體系橋梁長期性能的措施。通過之前的分析，已經得出收縮徐變將使主梁內力在既有的成橋狀態(tài)下向不利方向發(fā)展。三好橋原設計成橋狀態(tài)主梁在跨中區(qū)段為正彎矩，塔底支座區(qū)段為負彎矩。為遏制徐變的發(fā)展，減小主梁成橋彎矩是設計階段可以采取的有效方法。本文以三好橋設計施工索力為基準，保持水平索設計施工索力不變，將斜索的設計施工索力增大10%，從而改善主梁的內力狀態(tài)。

2)成橋后期改善索輔體系橋梁長期性能的措施。對于已經建成的索輔體系橋梁，在長期運營過程中拉索索力不斷下降，且主梁內力和位移向對結構更加不利的方向發(fā)展，因此采用拉索二次張拉的方式改善其長期性能。三好橋成橋兩年后徐變效應對結構的影響占成橋30年總量的50%左右，所以本文確定在成橋兩年時進行拉索的二次張拉。由于計算模型考慮因素單一，在實際橋梁運營維護過程中應定期檢測從而確定合理的二次張拉時間。二次張拉的目標索力以成橋索力為基準，并可略微增大。

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Research on long term performance of city bridge cable auxiliary system design

Zhao Song

(XiamenBranch,ZhuhaiTrafficSurveyandDesignLimitedCompany,Xiamen360012,China)

This paper discussed simply the structure characteristics of cable auxiliary system bridge, analyzed the induced mechanism of city bridge concrete shrinkage and creep, and taking Sanhao bridge as an example, researched the main beam deflection, top tower horizontal displacement, main girder internal force of the bridge, at the same time put forward the measures to improve the long-term performance of cable bridge auxiliary system, for reference.

bridge, cable auxiliary system, performance, concrete

2015-01-19

趙 松(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0178-02

U445

A