基于混凝土徐變的橋梁施工控制研究

歐陽騰

廣東冠粵路橋有限公司 廣東 廣州 510000

在近年的橋梁建設(shè)中，連續(xù)剛構(gòu)橋因其整體結(jié)構(gòu)好、強(qiáng)度適中、跨度大、操作平穩(wěn)方便、橋形簡潔明了等優(yōu)點而被廣泛采用。但是，剛構(gòu)橋的設(shè)計和施工還有很多問題需要解決，影響連續(xù)剛構(gòu)橋發(fā)展和既有橋梁使用壽命的技術(shù)問題仍然存在。其中，混凝土的徐變在連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計與施工中是不可回避的關(guān)鍵課題。徐變是混凝土材料隨時間而產(chǎn)生變化的一種固有特性，這一特性存在于其整個設(shè)計基準(zhǔn)期，即橋梁從施工到建成再到使用過程中都有徐變在結(jié)構(gòu)中發(fā)生。這不僅影響了橋梁的美觀和造型，也阻礙了橋梁的正常使用。為此，研究根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土徐變影響因素及撓度變化，提出了一種綜合的徐變控制方法，以實現(xiàn)橋梁施工的控制。

1 外環(huán)特大橋工程概況

主體設(shè)計內(nèi)容:外環(huán)特大橋橋梁全長1017m，橋?qū)?×16.75m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁+預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁+預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁+預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)+預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁，下部構(gòu)造采用柱式墩、薄壁墩、花瓶墩，橋臺采用肋式臺，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。外環(huán)特大橋主橋采用85+150+85m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，分幅布置，單幅橋?qū)?6.75m。主橋平面位于直線上，箱梁頂面橫坡為-2%，全橋箱梁底板水平。主梁采用單箱單室截面。箱梁根部梁高9.0m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁3.5m，梁高采用2次拋物線；箱梁頂板寬16.75m，厚30cm，最長塊段為4.0m，底板寬8.75m，厚32～200cm；箱梁腹板厚度由1#梁段至合攏段分別為厚90～70cm～50cm。主橋最大懸臂長度74m，其中1#～19#節(jié)段采用掛籃對稱懸臂澆筑。懸澆掛籃在0號梁段上安裝完畢后以1.2倍重量進(jìn)行預(yù)壓測試，并記錄預(yù)壓時的彈性變形曲線，以盡可能消除非彈性變形和獲得標(biāo)高控制數(shù)據(jù)。

技術(shù)要求：1、公路等級：一級公路兼城市主干路；2、設(shè)計行車速度：60km/h；3、汽車荷載等級：公路——Ⅰ級、城——A級；4、外環(huán)特大橋主橋橋梁寬度：橋梁按上下行分離設(shè)置，跨韓江路段橋?qū)挒?6m，橋?qū)捊M成為:0.50m(防撞護(hù)欄)+3m(人非通道)+0.50m(防撞護(hù)欄)+12.25m(橋面凈寬)+0.50m(防撞護(hù)欄)+2.5m(幅間間隙)+0.50m(防撞護(hù)欄)+12.25m(橋面凈寬)+0.50m(防撞護(hù)欄)+3m(人非通道)+0.50m(防撞護(hù)欄)。外環(huán)特大橋主橋橋型布置圖箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向分為頂板束、腹板下彎束、頂板合攏束和底板合攏束；箱梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用二次張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線體系，頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用單端張拉，配扁錨體系。

2 工程實例建模計算

研究采用本地大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋外環(huán)特大橋作為建模對象。主橋整體采用跨徑為（85+150+85）的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，施工方法采用懸臂澆筑法，上部結(jié)構(gòu)箱梁采用變截面形式，中間采用直線過渡，采用的澆筑材料為C55；下部基礎(chǔ)樁為承臺與鉆孔灌注結(jié)合形式，主墩及過渡墩為混凝土薄壁墩。主橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)示意圖

由于外環(huán)特大橋連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)為單箱單室箱形梁，在施工階段，梁的受力相對于主梁截面中線而言偏心荷載很小或沒有。其主要受力為自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃以及施工過程所產(chǎn)生的臨時荷載等。故在采用BRCAD軟件對其進(jìn)行撓度計算時僅采用普通梁單元即可達(dá)到工程所需的精度。橋梁施工監(jiān)控和分析的有限元計算模型如下：根據(jù)建設(shè)整個橋梁的上部結(jié)構(gòu)分為83個節(jié)段單元，按照實際的施工狀況將整個過程進(jìn)行分段。將其分為掛籃前移就位、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力束三個階段。徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響可以從橋面施工后節(jié)點的位移得到：

在靠近懸臂端的跨中考慮混凝土收縮徐變時，最大節(jié)點位移為121.5mm，在不考慮收縮徐變的影響的時候，得到的位移結(jié)果較真正位移降低了30%左右，這樣的結(jié)果并不準(zhǔn)確。

懸臂端點受徐變影響最大。這與懸臂自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為懸臂根部受影響極小，幾乎沒有位移。同時懸臂端澆筑混凝土?xí)r間很短，且預(yù)應(yīng)力效果使其位移數(shù)值在已澆筑過部分的懸臂累計的位移之內(nèi)波動，因此其不受混凝土收縮影響。混凝土的徐變對于橋梁日常監(jiān)測影響十分大，由于混凝土受力而產(chǎn)生相應(yīng)的徐變，若未考慮徐變影響因素，則計算得到的橋梁應(yīng)力將并不準(zhǔn)確。為使結(jié)構(gòu)實測應(yīng)力值更接近實際值，需要對實際梁橋進(jìn)行模型試驗，獲取反映實際橋梁徐變發(fā)展規(guī)律的參數(shù)，并對實測值進(jìn)行處理[1]。

3 施工過程中減小后期橋梁撓度的方法探究

3.1 確定合適的合攏部分配重

跨徑較大的橋梁在施工最后階段，需要將兩端結(jié)構(gòu)進(jìn)行合攏，其中對應(yīng)的配重對于合攏階段來說十分重要。一般情況下，合攏部分的配重是在消除兩端高差并考慮順暢合攏的同時，能夠保證滿足設(shè)計完成標(biāo)高的要求與平直度的情況下確定[2]。但目前在合攏段施工時進(jìn)行徐變控制的方法并不多，為此，研究根據(jù)影響預(yù)應(yīng)力混凝土徐變和撓度變化的因素，提出通過改變該段配重以控制橋梁的長期徐變。在合攏段施工的荷載以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大致變化情況如圖2所示。

圖2 合攏段施工荷載以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力大致變化情況

在合攏段混凝土硬化的過程中，實際上發(fā)生了結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)化[3]。這是一個應(yīng)力和能量的“儲存”過程，合攏后混凝土成為超靜定結(jié)構(gòu)。在這個過程中，吊籃和附加配重產(chǎn)生的彎矩內(nèi)力被存儲到其中。這種應(yīng)力在傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上增加了一個卸載過程。該應(yīng)力屬于自平衡力的范疇，是橋梁構(gòu)件截斷面產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間的平衡結(jié)果。彎矩通過對橋梁本身進(jìn)行拉動，受結(jié)構(gòu)重力影響。因此，這種預(yù)應(yīng)力可以減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的長期徐變撓度，此外，隨著徐變逐漸產(chǎn)生，該預(yù)應(yīng)力也逐漸較少。根據(jù)SAP軟件中模擬變化計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全橋合攏一年后，以配重變化10噸為節(jié)點，將各項指標(biāo)變化情況進(jìn)行記錄，彎矩平均值變化約2180 KN/m，徐變位移增加了0.1mm～5.2mm，擾度變化值為60.5mm。如果可以在設(shè)計公差范圍內(nèi)最大化配重，則可以將橋梁中跨部分的徐變撓度減少至少 2～3cm。這是一種更方便的施工方法，不需要額外的工時或工期，只需改變配重的加載量。且施加的“預(yù)應(yīng)力”均勻分布在整個跨度上，不存在沿程損失。

3.2 混凝土膨脹減小收縮徐變

根據(jù)熱脹冷縮原理，混凝土收縮亦可看作是對應(yīng)結(jié)構(gòu)溫度的變化，同樣也可以看作在進(jìn)行構(gòu)造過程中的尺寸誤差或彈性變量產(chǎn)生改變?；炷恋氖湛s很難直接預(yù)測，因為彈性模量的連續(xù)變化過程與內(nèi)力有關(guān)，并不具有線性的變化規(guī)律?？梢酝ㄟ^模擬溫度的變化來探索確定彈性模量的變化情況，得到模量變化之后，將其運用于徐變計算?；炷恋氖湛s徐變和膨脹兩者并存且對立，膨脹能夠有效緩解徐變對位移產(chǎn)生的影響，在縱向上縮短梁的長度。在連續(xù)鋼架施工中，通常使用千斤頂來固定特定端部，實現(xiàn)合龍段的施工。預(yù)應(yīng)力混凝土是一種超靜定的體系，其由混凝土和預(yù)應(yīng)力筋組成，膨脹為其中力的產(chǎn)生過程。故研究通過膨脹劑使混凝土膨脹，進(jìn)而增加預(yù)應(yīng)力，以此減小徐變撓度。

3.3 密封涂料法

從徐變機(jī)理來看，研究發(fā)現(xiàn)大部分混凝土收縮是由混凝土干燥脫水引起的，其次是碳化收縮。在影響混凝土壓縮的因素中，相對濕度是影響混凝土收縮的關(guān)鍵因素。此外，影響徐變的其他因素皆與其中水分的遷移或運動有關(guān)。因此，研究提出了一種使用密封漆的方法，以減少橋梁形成后期收縮和徐變的影響。為防止混凝土失水，在橋梁混凝土表面涂上防潮封閉漆，組織混凝土內(nèi)外水分交換，使其與周圍介質(zhì)濕度平衡。

3.4 設(shè)計備用鋼束

橋梁中易出現(xiàn)跨中下?lián)犀F(xiàn)象，橋梁箱梁設(shè)計時可在其中跨跨中隔板底部和懸臂塊段腹板同時澆筑的轉(zhuǎn)向塊預(yù)設(shè)備用體外預(yù)應(yīng)力鋼束，位置選定于箱梁中跨跨中隔板底部的邊緣和底板轉(zhuǎn)向塊A、腹板轉(zhuǎn)向塊B1、腹板轉(zhuǎn)向塊B2、腹板轉(zhuǎn)向塊B3的地方。根據(jù)鋼束負(fù)彎矩抵消方式，將增加鋼束后對20年內(nèi)橋跨撓度進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬軟件中橋梁增加鋼束后20年內(nèi)徐變曲線

由圖3可知，橋梁邊跨撓度在使用初期至20年基本無變化，而中跨的撓度隨著時間的推移逐漸減少，減少了約2.5mm。以此可證明備用鋼束的添加能夠有效較少徐變。在施工過程中可以考慮在原始配備的鋼筋設(shè)計基礎(chǔ)之上，調(diào)整頂板和底板的鋼筋數(shù)量。此外，若出現(xiàn)橋梁跨下?lián)系那闆r，可以適當(dāng)?shù)販p少頂板鋼束的數(shù)量，同時增加底板鋼束的數(shù)量。

3.5 延長橋面鋪裝時間

橋梁鋪裝結(jié)構(gòu)在橋梁中具有不變的恒力，對后期橋梁的變化影響較大。橋面鋪裝的時間與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系，因此，若想要控制徐變可從鋪裝時間上著手。外環(huán)特大橋鋪裝時間原本為35d，先分別將鋪裝時間延長不同的天數(shù)，然后對橋跨變形進(jìn)行模擬，最終得到分析結(jié)果。結(jié)果表示，鋪裝時間延后到180d時，徐變縮減了近5.2mm，得到了有效減少?？紤]到施工的整體工期以及工人的工作時間，在180d內(nèi)完成橋面鋪裝是符合總體工期的。在實際應(yīng)用中，在進(jìn)行橋面鋪裝時間規(guī)劃時，需根據(jù)當(dāng)前道路的修建進(jìn)度，有針對性地決定何時開始鋪裝。

4 不同施工順序?qū)笃谛熳冇绊?/h2>

一般的橋梁合龍階段，施工順序為先邊后中，極少數(shù)為先中后邊的順序。采取先邊后中順序的施工過程中，橋梁整體結(jié)構(gòu)的超靜定狀態(tài)由低次轉(zhuǎn)變?yōu)楦叽?。結(jié)構(gòu)中的受力變化情況較為明顯，對于徐變的控制來說，可操作性更強(qiáng)。采取先中后邊順序進(jìn)行施工的合龍階段，主體結(jié)構(gòu)的受力情況由最開始的高次超靜定轉(zhuǎn)變?yōu)楹奢d力。由此可知，不同的施工順序，結(jié)構(gòu)中內(nèi)力狀態(tài)也是不同的。這間接導(dǎo)致了橋梁施工結(jié)束后產(chǎn)生的徐變也不一樣，對于其后期控制需要采用不同的方法。研究通過對兩種不同施工順序的成橋內(nèi)力進(jìn)行分析，確定在施工中控制徐變的最佳順序。研究通過分析兩種不同施工順序的成橋內(nèi)力，確定了能夠有效控制徐變的最佳順序。因為在合龍階段，平衡作用下的部分配重在施工結(jié)束后需要進(jìn)行拆除，所以研究在分析不同順序的過程中將配重與張拉底板的預(yù)應(yīng)力筋忽略，僅對現(xiàn)澆段和合龍段的自重進(jìn)行考慮。

利用BRCAD軟件將外環(huán)特大橋模擬兩種施工方式，并計算出成橋彎矩進(jìn)行對比。通過分析可以得到，懸臂根部較端部受影響更大。根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種施工順序下，中跨產(chǎn)生的成橋彎矩較邊跨更大。通過進(jìn)一步的比較分析可知，施工順序較合龍段配重對于橋梁徐變的影響更大。由此可得出，采用先邊跨后中跨的施工順序能夠得到更好的控制效果。

5 結(jié)語

綜上所述，對橋梁懸臂的撓度控制在施工進(jìn)程中有著十分重要的地位，控制過程中混凝土的收縮徐變?yōu)橹饕绊懸蛩亍Ｒ虼?，在后期采用以下方法控制連續(xù)剛構(gòu)橋梁的撓度和徐變。

（1）從節(jié)段施工時間上，可以在懸臂施工的過程中適當(dāng)延長橋面鋪裝的時間。

（2）在使用徐變減小策略方法時，可重點對懸臂根部進(jìn)行應(yīng)用，因為根部的位移變化對整體結(jié)構(gòu)影響較大。

（3）在合攏段的施工過程中，可以對相應(yīng)配重進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，保證在設(shè)計范圍內(nèi)選用最大配重，以此較小后期徐變。

（4）在進(jìn)行混凝土澆筑時，可適當(dāng)加入膨脹劑于其中，補(bǔ)償混凝土徐變。

（5）在施工中最好選用先邊跨后中跨的施工順序，適當(dāng)增加備用鋼束。

（6）在橋梁的各個施工階段，可以通過涂抹密閉材料的方式，減少混凝土與外部的接觸，避免水分流失，進(jìn)而減小混凝土的收縮徐變。