施工周期對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋服役線形的影響分析

摘 要：以160m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔治鲭A段施工周期對(duì)混凝土徐變系數(shù)的影響及徐變系數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失和橋梁服役期線形的影響。結(jié)果表明：縮短施工周期混凝土結(jié)構(gòu)橋梁徐變影響明顯，增大連續(xù)剛構(gòu)橋服役期跨中下?lián)稀?/p>

關(guān)鍵字：連續(xù)剛構(gòu)橋；階段施工周期；預(yù)應(yīng)力損失；長(zhǎng)期下?lián)?/p>

中圖分類號(hào)：U448.35；U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0111-03

Effect of Stage Construction Period on Servicr Alignment

of Continuous Rigid Frame Bridge

DU Xiaodan1 LI Hua 2，3 LI Pengli1

（1. Henan charge and loan repayment Highway Management Co.， Ltd. Luoyang branch， Luoyang Henan 471000；2.Road and Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Research and Development Center of Transportation Industry，Zhengzhou Henan 450015；3.Henan Transportation Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： Taking the 160 meter span prestressed concrete continuous rigid frame bridge as an example， this paper analyzed the influence of the construction period on the creep coefficient of concrete and the influence of creep coefficient on the prestress loss and the alignment of the bridge. The results showed that shortening the construction period of concrete structure bridge creep effect was obvious， increase the continuous rigid frame bridge during the service span.

Keywords： continuous rigid frame bridge；tension age； prestress loss；deflection

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因其良好的結(jié)構(gòu)性和經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于山區(qū)高速公路中，但在運(yùn)營(yíng)過程中，此類橋梁普遍出現(xiàn)了跨中后期持續(xù)下?lián)蠁栴}，部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在通車六七年后跨中最大下?lián)线_(dá)20～30cm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)范圍。目前的研究主要集中在：①長(zhǎng)期下?lián)嫌绊懸蛩胤治?，主要采用有限元?jì)算方法分析收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、混凝土超重、橋面鋪裝及剛度降低等因素對(duì)長(zhǎng)期下?lián)系挠绊慬1-4]；②跨中下?lián)媳O(jiān)測(cè)及損傷評(píng)估，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中下?lián)线M(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)橋梁當(dāng)前狀況進(jìn)行評(píng)估[5-7]；③長(zhǎng)期下?lián)项A(yù)防及加固對(duì)策[8，9]。

連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用懸臂澆筑的施工方式。在施工過程中，各種不確定因素會(huì)造成趕工現(xiàn)象，這在增大施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，也對(duì)橋梁長(zhǎng)期服役性能造成不利影響。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，分析施工周期對(duì)長(zhǎng)期下?lián)系挠绊憽?/p>

2 工程概況及有限元模型

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合85m+160m+85m，跨中截面高4.0m，墩頂截面高12.0m，箱梁截面高度、腹板厚度從墩頂?shù)娇缰邪?.6次拋物線變化，箱梁采用C55混凝土。下部結(jié)構(gòu)為薄壁空心墩，墩高120m，采用C40混凝土。橋梁結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

該橋采用懸臂澆筑施工法：下構(gòu)施工完成后，在墩頂設(shè)立支架澆筑0號(hào)節(jié)段，然后向兩側(cè)對(duì)稱懸臂澆筑，形成單“T”，先合龍邊跨，再合龍中跨。段劃分如圖2所示，其中0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)6.5m，單個(gè)T構(gòu)懸臂澆筑21節(jié)段、邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4.0m，在橋臺(tái)旁搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工，合龍段長(zhǎng)2m。

本文采用Midas/Civil建立施工過程分析模型，主梁和橋墩采用梁?jiǎn)卧M，模型共劃分為280個(gè)單元、283個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。在施工過程中，梁底部有支架的臨時(shí)支撐作用，對(duì)支架采用只受壓彈性連接模擬，支架底部采用固結(jié)。

3 施工周期對(duì)橋梁線形影響

懸臂澆筑每個(gè)施工階段一般包括立模、澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋、掛籃前移等工序，正常狀態(tài)下，每個(gè)階段的施工周期一般在7～10d。為了保證施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間有明確規(guī)定：混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)值的85%且混凝土齡期不少于5d。但在實(shí)際施工過程中，受各種不利因素的影響，每個(gè)階段的施工時(shí)間與設(shè)計(jì)要求也不相同，給施工質(zhì)量控制造成不利影響。懸臂澆筑前期，施工人員、機(jī)械、施工組織還處于磨合階段，因此，施工進(jìn)度相對(duì)滯后，而這會(huì)造成懸臂澆筑中后期出現(xiàn)趕工的情況。在懸臂澆筑工期縮短的情況下，鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉等施工工序的時(shí)間基本不可壓縮，只能通過改善混凝土養(yǎng)生方法，如蒸汽養(yǎng)生，來(lái)加快混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，減少混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以縮短工期。施工工期的縮短將對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)在混凝土強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的增加而增長(zhǎng)，早期加載可能會(huì)導(dǎo)致混凝土后期徐變變大，尤其是大跨度箱梁與連續(xù)剛構(gòu)橋在建成若干年后會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形和下?lián)稀?/p>

3.1 早期加載對(duì)混凝土徐變的影響

混凝土徐變與相對(duì)空氣濕度、環(huán)境溫度、混凝土骨料和強(qiáng)度等級(jí)、混凝土齡期及構(gòu)件的厚度等因素有關(guān)。其中，混凝土齡期對(duì)徐變的影響非常大，加載齡期越長(zhǎng)，徐變變形越小。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范JTG D62—2004中通過徐變系數(shù)來(lái)考慮對(duì)徐變的影響。本文分別計(jì)算3d齡期和7d齡期加載時(shí)的徐變系數(shù)，徐變系數(shù)-時(shí)間曲線如圖4所示。

從圖4可知，3d和7d齡期加載時(shí)徐變系數(shù)終值分別為2.16和1.84，即階段施工周期與混凝土徐變系數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)樵诨炷两Y(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)，其彈性模量增長(zhǎng)會(huì)滯后于強(qiáng)度增長(zhǎng)，而張拉控制因素是混凝土強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到張拉要求后，而混凝土的彈性模量并未達(dá)到張拉要求，過早張拉會(huì)造成混凝土內(nèi)部的部分損傷。彈性模量是影響橋梁變形的主要因素，過早張拉將導(dǎo)致由混凝土徐變效應(yīng)增大，對(duì)成橋服役期間線形控制不利。

3.2 徐變對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的影響

徐變是造成預(yù)應(yīng)力損失的原因之一，徐變系數(shù)越大，后期的徐變變形也就越大，造成的預(yù)應(yīng)力損失也相應(yīng)變大。根據(jù)3d齡期和7d齡期的徐變系數(shù)，分別計(jì)算腹板束（W16）、頂板束（W16）、邊跨頂板束（W16）、邊跨底板束（W16）、中跨頂板束（W16）、中跨底板束（W16）在運(yùn)營(yíng)20年的預(yù)應(yīng)力損失狀況，結(jié)果見表1。

從表1可知：①早期加載時(shí)預(yù)應(yīng)力損失明顯增大，相比7d齡期張拉，3d齡期張拉時(shí)由徐變?cè)斐傻念A(yù)應(yīng)力損失增大在21.2%～25%之間；②3d齡期張拉會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失增加2%左右。因此，在橋梁預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間上，要嚴(yán)格按照混凝土強(qiáng)度、彈性模量及最少養(yǎng)護(hù)天數(shù)進(jìn)行控制，以有效減少后期預(yù)應(yīng)力損失。

3.3 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁服役期線形的影響

過大的預(yù)應(yīng)力損失將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力降低而無(wú)法抵消外荷載產(chǎn)生的變形，從而使梁體易開裂，隨著時(shí)間的推移，混凝土徐變進(jìn)一步增大預(yù)應(yīng)力損失，從而導(dǎo)致橋梁長(zhǎng)期撓度加大。在此以160m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，假設(shè)全部預(yù)應(yīng)力鋼筋損失為5%、10%和15%，對(duì)比運(yùn)營(yíng)5～20年后相對(duì)成橋時(shí)跨中撓度的變化，如圖5所示。

從圖5可以看出，跨中撓度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而不斷增長(zhǎng)，早期發(fā)展較快。在無(wú)預(yù)應(yīng)力損失的情況下，運(yùn)營(yíng)20年跨徑累計(jì)下?lián)霞s18mm。預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁長(zhǎng)期下?lián)嫌忻黠@影響，預(yù)應(yīng)力分別損失5%、10%和15%的情況下，運(yùn)營(yíng)20年累計(jì)撓度分別是23.775mm、29.779mm和35.858mm，分別是無(wú)預(yù)應(yīng)力損失情況下的1.33倍、1.668倍和2.0倍。

以運(yùn)營(yíng)20年的累計(jì)撓度為例，分析預(yù)應(yīng)力損失與累計(jì)撓度的關(guān)系，如圖6所示。從圖6可知，累計(jì)撓度隨預(yù)應(yīng)力損失線性增加，預(yù)應(yīng)力損失增大5%，運(yùn)營(yíng)20年累計(jì)撓度約增大6mm。綜上所述，預(yù)應(yīng)力損失對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度的影響非常顯著，這主要是由于預(yù)應(yīng)力損失后，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和恒載效應(yīng)不匹配，二者差值不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致橋梁長(zhǎng)期撓度增大。

4 結(jié)論

鑒于上述分析，可以得到以下結(jié)論。

①懸臂澆筑的連續(xù)剛構(gòu)橋每個(gè)階段的施工周期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)后期性能有明顯影響。施工時(shí)間縮短，造成混凝土早期承受荷載，后期徐變變形增大。

②徐變變形的增大加大了預(yù)應(yīng)力損失，計(jì)算結(jié)果表明，在混凝土齡期3d的情況下張拉預(yù)應(yīng)力，會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失增加2%左右。

③預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁長(zhǎng)期下?lián)嫌忻黠@的影響，預(yù)應(yīng)力分別損失5%、10%和15%的情況下，運(yùn)營(yíng)20年累計(jì)撓度分別是23.775mm、29.779mm和35.858mm，分別是無(wú)預(yù)應(yīng)力損失情況下的1.33倍、1.668倍和2.0倍。預(yù)應(yīng)力損失每增加5%，運(yùn)營(yíng)20年累計(jì)撓度約增大6mm。

預(yù)應(yīng)力損失是大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中過度下?lián)系闹匾颍瑫r(shí)截面開裂、剛度退化也進(jìn)一步加劇了跨中下?lián)?。因此，?yīng)嚴(yán)格控制施工工序，精確控制預(yù)應(yīng)力張拉，較小跨中下?lián)?，保證結(jié)構(gòu)安全。

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