基于監(jiān)測研究的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)项A(yù)測分析

孫中洋, 張顯明, 李功文, 劉 波

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司, 重慶 400067)

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因混凝土收縮徐變會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化,尤其是跨中下?lián)犀F(xiàn)象較為突出,大批專家和研究者對混凝土的收縮徐變現(xiàn)象進行了大量的試驗和理論研究,并取得了豐碩成果,但各研究結(jié)論存在較大差異。目前,對混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變效應(yīng)分析的方法大多采用計算或根據(jù)實測數(shù)據(jù)回歸分析混凝土的收縮應(yīng)變和徐變系數(shù),若無實測數(shù)據(jù)則大多利用現(xiàn)行《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 3362—2018)(簡稱JTG 3362—2018規(guī)范)中提供的公式計算[1-2]。

連續(xù)剛構(gòu)橋在運營過程中,若主跨跨中下?lián)衔灰浦饾u增大,將直接影響橋梁的使用壽命、行車的平順舒適,甚至可能危及行車的安全。根據(jù)現(xiàn)有的研究文獻及工程經(jīng)驗,混凝土收縮徐變是引起跨中下?lián)献钪饕囊蛩刂?。因?正確分析混凝土收縮徐變對橋梁跨中撓度的影響,以及各影響因素對橋梁撓度變化的敏感性,預(yù)測橋梁運營期撓度及其變化規(guī)律,以便為運營橋梁設(shè)置合理的施工監(jiān)控預(yù)拱度。本文以2座大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋為例,橋梁跨徑布置分別為(90+2×160+90)m、(113+200+113)m,對其實施長期撓度監(jiān)測,并結(jié)合有限元模型進行計算,開展了以下研究工作:

1) 分析混凝土收縮徐變對橋梁跨中撓度的影響以及各影響因素對橋梁撓度變化的敏感性。

2) 對運營期橋梁進行長期變形監(jiān)測,分析實測橋梁跨中撓度測點的變形規(guī)律。

3) 通過實橋監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)的對比分析,驗證現(xiàn)行規(guī)范中收縮徐變的模型公式的合理性。

4) 預(yù)測監(jiān)測橋梁后期跨中撓度的變化趨勢,為同類型橋梁設(shè)置預(yù)拱度提供參考。

1 影響收縮徐變的因素對橋梁撓度的敏感性分析[3-4]

已有研究成果指出,影響混凝土收縮徐變的主要因素有:汽車荷載、環(huán)境溫度、構(gòu)件厚度的影響、尺寸效應(yīng)、混凝土加載齡期、相對空氣濕度、水灰比、混凝土集料和強度等級等。

針對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋,混凝土收縮徐變除了導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失外,還會影響橋梁的內(nèi)力分配及線形。運營期橋梁梁部混凝土受壓區(qū)混凝土的收縮和徐變,會引起梁體跨中撓度增大,致使部分梁底開裂,影響行車舒適性能。為進一步判別橋梁運營期影響收縮徐變的不同因素對橋梁撓度的敏感性,建立實橋有限元模型及工程實測數(shù)據(jù)進行綜合分析。

實橋1為(90+2×160+90)m連續(xù)剛構(gòu)橋,計算模型如圖1所示,影響混凝土收縮徐變的基本參數(shù)如表1所示。本文計算均依據(jù)現(xiàn)行JTG 3362—2018規(guī)范,通過改變表1中單個參數(shù)取值的方式逐個分析不同影響因素對橋梁撓度的敏感性,橋梁撓度取結(jié)構(gòu)次跨中點分析,計算時間點分別取0年、1年、3年、5年、10年,其中0年指橋梁通車時間點。

表1 收縮徐變相關(guān)基本參數(shù)

圖1 有限元模型

1.1 汽車荷載[5]

汽車荷載是影響橋梁收縮徐變相對獨立的一個活荷載,且運營期橋梁收縮徐變長期效應(yīng)計算中,主要考慮自重、二期荷載及預(yù)應(yīng)力荷載的作用,一般不計入汽車荷載作用。實際上,橋梁在運營過程中車輛荷載基本常年不斷,對結(jié)構(gòu)的收縮徐變有影響,計算橋梁跨中撓度時應(yīng)予以考慮。本次計算時分別按1/2汽車荷載、全部汽車荷載(荷載滿布中跨及次中跨)計算,結(jié)果如表2、圖2所示。從表2、圖2計算結(jié)果可以看出,汽車荷載對橋梁跨中10年內(nèi)的徐變撓度有一定影響,前3年較為明顯[6],考慮全部汽車荷載作用下,橋梁跨中前3年累計撓度占10年累計撓度的87.1%。

表2 汽車荷載對橋梁跨中長期徐變撓度的影響

圖2 汽車荷載對橋梁跨中撓度的影響

1.2 其他影響因素

分析既有混凝土收縮徐變的研究成果,除汽車荷載因素外,影響混凝土收縮徐變的主要因素還有:粉煤灰摻量、構(gòu)件理論厚度、混凝土加載齡期、橫載變異、空氣相對濕度、混凝土強度。

1) 取值說明

本次計算考慮的其他影響因素如表3[7-8]所示。

表3 其他影響因素計算取值

2) 規(guī)范公式模擬計算

采用JTG 3362—2018規(guī)范附錄C中提供收縮徐變公式,分別模擬計算粉煤灰摻量、環(huán)境濕度、結(jié)構(gòu)容重、混凝土加載齡期等不同相關(guān)因素對橋梁收縮徐變撓度影響的敏感性分析,結(jié)果如表4及圖3所示。

表4 不同影響因素對應(yīng)的跨中撓度計算結(jié)果

(a) 粉煤灰摻量

從圖3可知,粉煤灰摻量、加載齡期、容重及空氣濕度對橋梁跨中撓度影響顯著,根據(jù)現(xiàn)行JTG 3362—2018規(guī)范,增加粉煤灰摻量對實橋計算跨中撓度敏感性大,隨著粉煤灰摻量的增加,橋梁跨中撓度緩慢減小;環(huán)境濕度、結(jié)構(gòu)容重、混凝土加載齡期均對橋梁跨中撓度影響顯著;橋梁跨中撓度隨構(gòu)件理論厚度變大、混凝土強度等級的提高有變小趨勢,影響不顯著。

2 實橋變形監(jiān)測

2.1 實橋1變形監(jiān)測

選取云南1座(90+2×160+90)m連續(xù)剛構(gòu)橋進行變形監(jiān)測,測點布置如圖4所示。該橋于2015年12月31日正式通車,自通車運營以來,在每半年左右的時間對該橋進行了運營期間主跨跨中撓度監(jiān)測,至今共監(jiān)測了5次,具體監(jiān)測結(jié)果如表5、圖5所示。

表5 實橋1 跨中撓度長期監(jiān)測結(jié)果 mm

表5 不同影響因素對應(yīng)的跨中撓度計算結(jié)果

單位:m

圖5 實橋1跨中撓度隨運營時間變化曲線

從表5及圖5可知,該橋0～2年時間段內(nèi)跨中撓度發(fā)展較快,測點撓度變化范圍為-34 mm～-46 mm,平均為-40 mm;2～3年時間段內(nèi)跨中撓度發(fā)展較為平緩,撓度變化范圍為-5 mm～-8 mm,平均為-7 mm,是0～2年撓度的17.2%。

2.2 實橋2變形監(jiān)測

選取重慶1座(113+200+113)m連續(xù)剛構(gòu)橋進行變形監(jiān)測,測點布置如圖6所示。該橋于2010年7月正式通車,從2014年8月至2020年9月期間對全橋共計進行了12期的變形監(jiān)測,具體監(jiān)測結(jié)果如表6、圖7所示。

表6 實橋2全橋撓度長期監(jiān)測結(jié)果 mm

表6 不同影響因素對應(yīng)的跨中撓度計算結(jié)果

單位:m

(a) 左幅夏季

從表6及圖7 可以看出:1) 橋梁中跨有輕微變形,但與時間并無明顯線性關(guān)系,監(jiān)測期間數(shù)據(jù)相對平穩(wěn),其中左幅夏季、冬季跨中撓度波動范圍分別為-3.4 mm～-20.9 mm,-2.5 mm～-18.8 mm;右幅夏季、冬季跨中撓度波動范圍分別為-4.3 mm～-26.7 mm,-13.8 mm～-18.1 mm;2) 橋梁左右幅跨中撓度累計平均值波動在-11.7 mm～-13.8 mm內(nèi)變化,初步可推測該橋從運營期第4年(2014年8月)后,混凝土收縮徐變已基本完成,對結(jié)構(gòu)后續(xù)撓度的變化影響較小;3) 左幅L21測點數(shù)據(jù)由于測釘松動導(dǎo)致與相鄰測點變形規(guī)律有差異,可作為異常點考慮。

3 實橋理論計算與跨中下?lián)项A(yù)測分析[9-11]

根據(jù)設(shè)計圖紙對實橋(90+2×160+90)m連續(xù)剛構(gòu)橋進行有限元計算分析,且未考慮粉煤灰作用,為規(guī)避溫度作用影響,選擇運營期1.2年、2.0年、3.0年實測數(shù)據(jù)進行比對分析,可以得出:

1) 實橋?qū)崪y值比模型計算值大得多,用JTG 3362—2018規(guī)范中模型對實橋主梁的收縮徐變位移進行對比分析,主跨跨中撓度計算值分別為-10.8 mm、-13.6 mm、-16.3 mm;與之對應(yīng)的實橋?qū)崪y跨中撓度平均值分別為-29.3 mm、-39.9 mm、-46.8 mm;3組數(shù)據(jù)的比值分別為2.70、2.92和2.87,平均值為2.83,即實測值是預(yù)測計算值的2.83倍,利用倍數(shù)關(guān)系預(yù)測本橋?qū)嶋H運營期5年、10年后的累計撓度分別為-56.8 mm、-72.1 mm。

2) 先根據(jù)實測撓度值對理論計算模型做出修正,后對跨中撓度做出預(yù)測,修正后的模型考慮1/2活載作為恒載、混凝土加載齡期由7 d改為3 d,剩余部分的位移偏差通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力損失(本橋最終考慮損失約20%)進行模型計算迭代,目標(biāo)保證前3年撓度變化基本一致,利用修正后模型計算運營期1.2年、2.0年、3.0年橋梁跨中撓度分別為-29.3 mm、-36.9 mm、-43.8 mm;與之對應(yīng)的實橋?qū)崪y跨中撓度平均值分別為-29.3 mm、-39.9 mm、-46.8 mm;3組數(shù)據(jù)的比值分別為1.00、1.08和1.07,利用修正后的模型推測本橋?qū)嶋H運營期5年、10年后的累計撓度分別為-53.3 mm、-64.8 mm。

4 結(jié)論

1) 汽車荷載對橋梁跨中10年內(nèi)的徐變撓度有一定影響,前3年較為明顯,考慮全部汽車荷載作用下,橋梁跨中前3年累計撓度占10年累計撓度的87.1%。

2) 現(xiàn)行JTG 3362—2018規(guī)范新增加的粉煤灰摻量,對實橋計算橋梁結(jié)構(gòu)撓度敏感性大,橋梁撓度隨著粉煤灰摻量的增加而緩慢減小;環(huán)境濕度、結(jié)構(gòu)容重、混凝土加載齡期與橋梁結(jié)構(gòu)撓度均有顯著關(guān)聯(lián)性,實橋結(jié)構(gòu)計算分析中應(yīng)按實際采集數(shù)據(jù)進行分析。

3) 根據(jù)2座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長期監(jiān)測結(jié)果,可推斷橋梁0～2年時間段內(nèi)跨中撓度發(fā)展較快,2～3年時間段內(nèi)跨中撓度發(fā)展較為平緩,橋梁從運營期第4年(2014年8月)后,混凝土收縮徐變已基本完成,對結(jié)構(gòu)后續(xù)撓度的變化影響較小。

4) 現(xiàn)行JTG 3362—2018規(guī)范中采用收縮徐變公式計算連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁撓度與實際結(jié)果差異性較大,可通過實測撓度值與數(shù)值計算的倍數(shù)關(guān)系、實橋模型參數(shù)修改方式對橋梁后期收縮徐變撓度做出預(yù)測,其結(jié)果可供同類型橋梁施工監(jiān)控合理預(yù)設(shè)經(jīng)驗預(yù)拱度參考。