大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長期撓度分析

郝章喜，吳雪城，彭　鵬，王建秋

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長期撓度分析

郝章喜，吳雪城，彭鵬，王建秋

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

混凝土的收縮徐變是影響大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長期撓度最主要的因素之一。文章分析了在不同應(yīng)力條件下混凝土收縮徐變對箱梁結(jié)構(gòu)的長期撓度方向和大小的影響，并以賀街大橋為工程背景，建立了平面桿系有限元模型，通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件使徐變撓度向上，從而達到減小長期撓度的目的，為解決大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋存在的長期下?lián)蠁栴}提供參考。

大跨徑；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；混凝土徐變；長期撓度；應(yīng)力差；預(yù)應(yīng)力損失

0　引言

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋是世界上應(yīng)用最為廣泛的一種橋梁類型，隨著高強混凝土和高強鋼材的不斷發(fā)展，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋也得到了長足的發(fā)展，但是在使用過程中普遍存在主梁下?lián)线^大的問題，如跨徑195 m的美國Parrotts大橋主跨下?lián)?35 mm；跨徑270 m的虎門大橋輔航道橋建成6年后主跨下?lián)?22 mm，而且尚未停止[1]。

影響大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長期撓度最主要的因素是混凝土的收縮徐變和預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力損失對長期撓度的影響主要由材料的性能和施工工藝決定，而混凝土收縮徐變則主要由材料性能、工程環(huán)境和應(yīng)力條件決定。

本文重點分析混凝土收縮徐變在不同應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)的長期撓度方向和大小，并以賀街大橋為工程背景，建立了平面桿系有限元模型，通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件使徐變撓度向上，從而達到減小長期撓度的目的，其研究成果將為解決大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋存在的長期下?lián)蠁栴}提供參考。

1　混凝土收縮徐變對箱梁長期撓度的影響分析

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)附錄F，混凝土的收縮應(yīng)變及徐變系數(shù)與工程環(huán)境和加載時間有關(guān)，與混凝土應(yīng)力條件無關(guān)。對于線性徐變理論，徐變應(yīng)變εc=φ(t，t0)εe，φ(t，t0)為徐變系數(shù)，εe為混凝土彈性應(yīng)變，εe=σc/Ec，則εc=φ(t，t0)σc/Ec，σc為混凝土彈性應(yīng)力(混凝土的應(yīng)力不超過極限強度的40%～50%時)，由徐變應(yīng)變公式可知：徐變應(yīng)變與彈性應(yīng)力成正比，若改變箱梁上下緣彈性應(yīng)力，將改變上下緣的徐變應(yīng)變，從而改變結(jié)構(gòu)撓度的方向和大小。

為了研究上下緣應(yīng)力差對撓度方向和大小的關(guān)系，筆者采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS建立30 m簡支梁模型(非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu))，簡支梁采用矩形斷面，梁高1.6 m，寬1 m，采用C40混凝土，環(huán)境相對濕度70%，混凝土加載齡期7 d，在簡支梁兩端通過施加彎矩和軸力來改變上下緣的應(yīng)力狀態(tài)。調(diào)整上下緣應(yīng)力差值，跨中長期撓度計算結(jié)果如表1所示，當(dāng)應(yīng)力差為1 MPa時跨中長期撓度如圖1所示。

表1上下緣應(yīng)力差跨中長期撓度值表(單位：mm)

時間-5MPa-3MPa-2MPa-1MPa0MPa1MPa2MPa3MPa5MPa成梁11.06.64.42.20.0-2.2-4.4-6.6-11.01年20.112.18.04.00.0-4.0-8.0-12.1-20.12年22.113.38.84.40.0-4.4-8.8-13.3-22.13年23.514.19.44.70.0-4.7-9.4-14.1-23.55年25.415.310.25.10.0-5.1-10.2-15.3-25.410年27.416.411.05.50.0-5.5-11.0-16.4-27.430年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.050年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.0

注：應(yīng)力差=上緣應(yīng)力-下緣應(yīng)力，表中撓度為豎向位移，向下為正

圖1　應(yīng)力差為1 MPa時跨中長期撓度曲線圖

從表1計算數(shù)據(jù)中可得出：(1)應(yīng)力差為0 MPa時，長期撓度為0，說明長期撓度與簡支梁的絕對應(yīng)力無關(guān)；(2)跨中撓度值與應(yīng)力差值成正反比例關(guān)系，當(dāng)上緣應(yīng)力大于下緣應(yīng)力時，長期撓度向下，反之則向上。

由圖1可知簡支梁成梁后一年撓度增加速度較快，之后基本按線性增加，10年后撓度增加變得緩慢，30年后撓度基本不再增加。

2　工程概況

擬建賀街大橋?qū)儆谫R州至富川一級公路蓮塘支線上的主要大橋，位于廣西賀州市八步區(qū)賀街鎮(zhèn)西南面，跨越賀江，大橋主橋跨徑布置為(60+104+60)m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，單幅橋面寬12 m，橋型布置如圖2所示。主橋箱梁采用C50混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系，全橋共144束縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束布置如圖3所示。

圖2　賀街大橋橋型布置圖(單位：cm)

圖3　主橋箱梁分段及縱向預(yù)應(yīng)力布置圖(單位：cm)

3　有限元計算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS對主橋箱梁進行模擬計算，全橋由77個節(jié)點和76個單元組成，兩個橋墩墩頂節(jié)點號為22和56，跨中節(jié)點號為39，環(huán)境相對濕度80%，混凝土加載齡期7 d，計算模型如圖4所示。

圖4賀街大橋主橋有限元計算模型圖

4　計算結(jié)果

4.1箱梁恒載應(yīng)力

成橋箱梁上下緣恒載應(yīng)力如圖5所示，從圖5可以看出：上下緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力(正值)，上緣最大應(yīng)力為10.83 MPa，在主跨L5/8附近；下緣最大應(yīng)力為9.66 MPa，在主跨跨中，上下緣應(yīng)力最大值均未超過極限強度的40%；上下緣應(yīng)力差除邊跨現(xiàn)澆段和跨中合龍段附近為負值，其他均為正值，最大應(yīng)力差值為5.96 MPa，最小應(yīng)力差為-4.73 MPa。

圖5　成橋箱梁上下緣應(yīng)力及應(yīng)力差曲線圖

運營1年、5年、10年和30年時間上下緣應(yīng)力變化情況如圖6～7所示，從圖中可以看出：運營1年和5年上緣應(yīng)力降低比較快，運營30年應(yīng)力最大降低1.0 MPa，主要是由箱梁預(yù)應(yīng)力損失引起；下緣應(yīng)力除現(xiàn)澆段和跨中合龍段附近應(yīng)力減小外，最大減小0.48 MPa，懸臂澆筑梁段基本都有所增加，最大增加0.56 MPa，主要是恒載內(nèi)力不變上緣應(yīng)力減小后引起的下緣應(yīng)力增加。運營30年上下緣應(yīng)力差如圖8所示，懸臂澆筑梁段應(yīng)力差均有減小，最大減小1.59 MPa，邊跨現(xiàn)澆段和跨中合龍段有所增加，增值較小。

圖6　成橋后箱梁上緣應(yīng)力變化圖

圖7　成橋后箱梁下緣應(yīng)力變化圖

圖8　運營30年上下緣應(yīng)力差變化圖

4.2箱梁長期撓度

計算得橋梁自成橋到運營1年、5年、10年和30年時間箱梁撓度見圖9，成橋后箱梁撓度變化見圖10。從圖9～10可以看出：成橋主跨跨中撓度僅為-6 mm，為跨徑的1/173 33，箱梁剛度較大，運營1年和5年撓度變化比較快，與應(yīng)力變化比較大相關(guān)，運營10年后跨中撓度減小到-2 mm，之后不再減小，運營30年撓度又增加至-3 mm。

圖9　箱梁長期撓度圖

圖10　成橋后箱梁撓度變化圖

4.3箱梁長期撓度分析

為了研究各因素對長期撓度的影響，對混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失引起長期撓度的結(jié)果進行分別計算，運營1年、5年、10年和30年混凝土徐變引起的撓度增量如圖11所示，預(yù)應(yīng)力損失(含混凝土收縮徐變引起的損失)引起的撓度增量如圖12所示，混凝土收縮應(yīng)變引起的長期撓度幾乎為零，收縮應(yīng)變主要體現(xiàn)在對預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力損失引起的撓度；運營30年箱梁撓度增量組成如圖13所示。

圖11　運營期混凝土徐變引起箱梁撓度增量圖

圖12　運營期預(yù)應(yīng)力損失引起箱梁撓度增量圖

圖13　運營30年箱梁撓度增量組成圖

從圖11可知，混凝土徐變引起的中跨撓度變化是向上的，增量規(guī)律同簡支梁模型相同；而預(yù)應(yīng)力損失引起的撓度增量是向下的，運營10年后增速變緩，但一直增加；運營30年總撓度主跨撓度增量仍然為正，說明主跨箱梁后期撓度徐變的增加量大于預(yù)應(yīng)力損失的減小量。

徐變引起的撓度主要是由箱梁上下緣應(yīng)力差引起的，成橋恒載上下緣應(yīng)力差及運營30年徐變撓度增量如圖14所示。

圖14　成橋箱梁應(yīng)力差及運營30年徐變撓度增量圖

通過試算分析可知，主跨跨中附近梁段下緣應(yīng)力大于上緣應(yīng)力，墩頂至3 L/8梁段上緣應(yīng)力大于下緣應(yīng)力時徐變引起主跨撓度方向均為向上。本項目箱梁上下緣應(yīng)力差的設(shè)置均吻合上述分析結(jié)果，徐變引起的撓度向上達到了12 mm，有效減小了跨中長期撓度的發(fā)展。

5　結(jié)語

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋箱梁長期撓度主要由混凝土的收縮徐變和預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力損失引起，預(yù)應(yīng)力損失引起的撓度可通過改進預(yù)應(yīng)力鋼束材料和張拉工藝而改善，混凝土收縮應(yīng)變對長期撓度影響不明顯，混凝土徐變引起的撓度可通過改變上下緣的應(yīng)力差而改變撓度方向和大小，若徐變引起撓度向上，便可有效減小箱梁長期撓度。文章首次提出改善結(jié)構(gòu)恒載上下緣應(yīng)力差而改變徐變引起撓度方向，從而解決大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋存在的長期下?lián)蠁栴}，在同類橋梁設(shè)計中具有一定的參考價值。

[1]劉效堯，徐岳.梁橋(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

Long-term Deflection Analysis of Large-span Prestressed Concrete Box-girder Bridges

HAO Zhang-xi，WU Xue-cheng，PENG Peng，WANG Jian-qiu

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

The concrete shrinkage and creep is one of main factors affecting the long-term deflection of large-span prestressed concrete girder bridges.This article analyzed the impact of concrete shrinkage and creep on long-term deflection direction and magnitude of box girder structure under different stress conditions，and with Hejie Bridge as engineering background，it established the plane frame finite ele-ment model，making the creep deflection upwards by optimizing the design structure stress conditions，so as to achieve the purpose of reducing the long-term deflection，which provides the reference for sol-ving the existing long-term downward deflection problem of large-span prestressed concrete box-girder bridges.

Large-span；Prestressed concrete box-girder；Concrete creep；Long-term deflection；Stress difference；Prestress loss

2016-05-10

U441+.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.010

1673-4874(2016)06-0033-04

郝章喜(1981—)，工程師，主要從事公路與橋梁工程設(shè)計、咨詢方面的工作;

吳雪城(1983—)，工程師，主要從事公路與橋梁工程設(shè)計、工程造價、咨詢方面的工作;

彭鵬(1988—)，助理工程師，研究生，主要從事公路與橋梁工程設(shè)計、咨詢方面的工作；

王建秋(1987—)，助理工程師，研究生，主要從事公路與橋梁工程設(shè)計、咨詢方面的工作。