徐變對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的變形影響分析

張 帥

（中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東 青島 266061）

徐變對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的變形影響分析

張 帥

（中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東 青島 266061）

針對高速鐵路中某一整體簡支箱梁，采用Midas/Civil有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建模分析，分析箱梁的徐變對梁體變形的影響，并探索分析施工中可能遇見的一些情況對徐變的影響，為同類橋梁的施工和設(shè)計提供一定的參考。

簡支箱梁；收縮徐變；梁單元

引言

近十年來，中國鐵路遇到了鐵路建設(shè)的黃金機遇期，前所未有的大規(guī)模鐵路建設(shè)在中國大地全面展開。鐵路不但要滿足運輸?shù)男枰?，還要滿足橋上高速列車的安全性、平穩(wěn)性和旅客乘坐的舒適性，軌道結(jié)構(gòu)對預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失、徐變上拱度以及橋梁基礎(chǔ)的工后沉降，提出了更加嚴格的要求。本文針對施工中由于特殊情況不能按照設(shè)計要求施工的情況對梁體的徐變進行有限元分析，以探索其對梁體徐變的影響。

1　工程概況

以石武客運專線20m整體簡支箱梁為研究對象，分析研究在施工中由于特殊情況不能按照設(shè)計要求施工的情況對梁體徐變的影響。

（1）建筑材料及其參數(shù)

預(yù)應(yīng)力混凝土采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.45MPa，泊松比vc=0.2，軸心抗壓強度fc=34.5MPa，軸心抗拉強度fct=3.3MPa，容重γ=25.0kN/m3。其28d齡期混凝土立方體抗壓強度標準值為50，環(huán)境年平均相對濕度為70%，水泥種類系數(shù)為5，收縮開始時的齡期為3d，其他的收縮、徐變以及混凝土的強度隨時間變化的相關(guān)取值按照規(guī)范取值。

預(yù)應(yīng)力筋采用標準型高強度Ⅱ級低松弛鋼絞線，強度級別fpk=1860MPa，公稱直徑為15.2mm，公稱面積為140mm2，彈性模量為Ep=195GPa，容重為γp=78.5kN/m3，鋼筋松弛系數(shù)取0.3，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)取μ=0.55，管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)為k=0.0015，錨具變形、鋼筋回縮以及接縫壓縮值取兩端各為0.006mm，錨具采用AM系列錨具，張拉體系采YCM250，YDC200型千斤頂。縱向預(yù)應(yīng)力管道由80mm波紋管成型。預(yù)應(yīng)力張拉采用應(yīng)力、應(yīng)變雙重控制。

（2）梁體構(gòu)造及主要技術(shù)標準

本橋為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁體系，每跨20m，只考慮梁體自重、二期恒載及預(yù)應(yīng)力，二期恒載取150kN/m，由于梁采用裝配式，所以在此不考慮施工荷載。

2　有限元模型的建立

在箱形梁計算中采用的數(shù)值模擬方法一般有幾種：有限元法，有限條法，有限差分法，有限段剛度法。其中有限元法以其適用性強的特點得到廣泛的應(yīng)用。橋梁結(jié)構(gòu)的力學模型按照采用的單元不同可分為實體模型、梁單元模型、板殼單元模型。采用實體單元，雖然精確高，但是計算工作量大，消耗的資源過多，不經(jīng)濟。而梁單元模型，計算結(jié)果一般都能滿足工程精度要求，工作量相對來說較少，所以本文用MIDAS/CIVILE軟件，采用梁單元對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進行模擬（圖1），全梁單元數(shù)為48個、節(jié)點數(shù)為49個，預(yù)應(yīng)力鋼筋22根，分為32個施工階段。本次建模采用變截面的PC箱梁，邊界條件為一般支承兩端簡支。計算中只考慮梁的自重、二期恒載和預(yù)應(yīng)力。

圖1　箱梁的有限元模型

3　計算結(jié)果分析

理論計算跨中豎向變形與實測值列于表1，并把結(jié)果繪于圖2。

表1　跨中豎向變形理論值與實測值比較（單位：mm）

圖2　理論計算上拱度和實測跨中豎向變形比較

由以上結(jié)果可以看出，理論計算跨中豎向變形的變化趨勢基本和實測值大致一致，但實測值表現(xiàn)出較大的波動性，這表明在實際施工中影響橋梁跨中豎向變形的因素隨時間的變化有著不確定性，所以在工程實際當中有必要以理論值為參考，并且以實測值為校準。根據(jù)規(guī)范計算出來的跨中豎向變形基本都比實測值大，在持荷時間達到450d的時候，二者的差值是1.3mm，其差值達到實測值的15.3%，說明理論計算要取得精確的預(yù)應(yīng)力損失結(jié)果是很困難的，在工程施工過程中需要作好損失值的實測試驗工作。

4　初次加載齡期對徐變的影響

就當前施工中有可能因為特殊情況不能按照設(shè)計進行張拉施工的情況，考慮初次加載齡期對徐變的影響。分別就以下五種初次加載齡期分析：

（1）3d加載齡期；

（2）7d加載齡期；

（3）14d加載齡期；

（4）28d加載齡期；

（5）45d加載齡期。

計算結(jié)果如表2和圖3。

表2　不同初次加載齡期下的徐變（單位：mm）

圖3　不同初次加載齡期徐變比較

以28d加載齡期為基準，45d加載齡期下產(chǎn)生的跨中徐變是它的0.94倍，14d加載齡期下產(chǎn)生的跨中徐變是它的1.224倍，7d加載齡期下產(chǎn)生的跨中徐變是它的1.401倍，3d加載齡期下產(chǎn)生的跨中徐變是它的1.545倍?？梢钥闯龀醮渭虞d齡期對徐變的影響比較大，當加載齡期增加，徐變減小。

5　二恒的加載齡期對徐變的影響

針對施工當中有可能不能按照設(shè)計加載二恒的情況，考慮二恒的加載齡期對橋梁徐變的影響。把二恒的加載齡期假設(shè)為90d、180d、270d和360d，計算的結(jié)果如圖4和表3。

以二恒的加載齡期為270d為基準，加載齡期90d時三年后的徐變引起的跨中豎向變形相對減小7.7%，加載齡期180d時三年后的徐變引起的跨中豎向變形相對減小2.7%，加載齡期360d時三年后的徐變引起的跨中豎向變形相對增加1.3%。隨著二恒的加載齡期的增大，跨中上拱增大，徐變引起的上拱也在增大，其增量主要是徐變引起的。由此可見，二恒的加載齡期對徐變有一定的影響。

圖4　不同二恒的加載齡期下的跨中徐變

表3　三年后二恒的載加載齡期對跨中徐變的影響

6　結(jié)論

（1）通過對混凝土徐變的長期數(shù)值分析，現(xiàn)場的實測變形與理論計算值之間也存在一定的差異，但其結(jié)果比較接近，因此可用現(xiàn)行規(guī)范來預(yù)測徐變。

（2）持荷時間對徐變的影響表現(xiàn)為：隨著持荷時間的增長徐變將逐漸發(fā)展，但徐變變化的速率慢慢減小，前3年時間內(nèi)的徐變占到10年總的徐變的78.2%，說明徐變主要發(fā)生在成梁后的前3年內(nèi)。

（3）初次加載齡期和二恒加載齡期對徐變都有影響，當初次加載齡期的越晚，徐變越??；當二期恒載加載齡期延遲，徐變將增大。

（4）在設(shè)計和施工過程中采取措施減少徐變變形，這對控制箱梁的上拱度很有必要。

U448.213

A

1673-0038（2015）18-0200-02

2015-4-10

張帥（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事鐵路橋梁、隧道技術(shù)管理工作。