預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁撓度影響分析

摘要：隨著公路橋梁使用年限的增長，其跨中部位產(chǎn)生的長期撓度也會越來越大，嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)的安全性能，因此對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的長期撓度進(jìn)行分析和處理是十分必要的。以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^Midas建立有限元模型，探究影響橋梁撓度的多種因素及其作用程度，并提出針對性的解決方案，以延長橋梁的服役期限。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；有限元模型；撓度；二期荷載；收縮徐變

0" "引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，公路橋梁承受了越來越大的運(yùn)營壓力，同時(shí)由于超載、養(yǎng)護(hù)不到位等原因，導(dǎo)致公路、橋梁遭到了各種各樣的損傷和破壞，嚴(yán)重影響了公路橋梁的耐久性、穩(wěn)定性和安全性，并給行車安全與舒適性造成一定的影響[1-2]。

針對橋梁撓度影響方面，黃曉東依托于某箱型橋梁建立了車速與軸重變化影響動撓度的計(jì)算參數(shù)擬合模型，分析了不同移動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)動撓度的影響規(guī)律規(guī)律，獲得了車速及軸重變化影響動撓度的計(jì)算參數(shù)擬合結(jié)果[3]。趙新宏等以貴州某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，將橋梁在成橋階段以及運(yùn)營多年后的下?lián)狭孔鳛樵u判標(biāo)準(zhǔn)，分析了導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生撓度的關(guān)鍵因素，并提出遏制橋梁長期下?lián)系年P(guān)鍵在于控制混凝土的收縮徐變變形與減少預(yù)應(yīng)力損失[4]。王海峰對大跨徑懸澆PC連續(xù)箱梁跨中下?lián)铣掷m(xù)增大及箱梁開裂等問題開展研究，采用Midas/Civil軟件建立相應(yīng)的有限元分析模型進(jìn)行參數(shù)分析，并提出了對應(yīng)的預(yù)防措施[5]。胡曉旻采用橋梁溫度、撓度自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道交通連續(xù)梁橋的撓度及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析了橋梁撓度與溫度變化的關(guān)系，得到橋梁撓度變化與溫度變化存在線性相關(guān)性[6]。

在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，本文以某在建的三跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用Midas civil建立了對應(yīng)的三維空間有限元模型，對橋體長期下?lián)线M(jìn)行分析，得出影響橋體長期下?lián)系囊蛩兀⑻岢隽讼鄬?yīng)的預(yù)防措施。

1" "工程概況

本橋梁共4聯(lián)，為4×30m+4×30m+（70+130+70）m+4×30m。上部采用（70+130+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋采用30m的裝配式預(yù)制預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺及空心墩，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

主梁為單箱單室截面，采用預(yù)應(yīng)力混凝土材料。箱梁頂板寬12m，底板寬6.5m，橋面橫坡為雙向2%。主梁根部梁高7.8m，跨中部梁高為3.2m，根部與跨中截面之間其余截面高度，按照1.8次拋物線進(jìn)行過渡。翼緣板懸臂長度為2.75m，僅0#塊的部分箱梁頂板厚度為0.5m，剩余兩端的頂板厚度均設(shè)置為0.3m。而箱梁底板的厚度則從跨中位置的0.32m開始，按照1.8次拋物線的規(guī)律逐漸增厚，直至箱梁根部達(dá)到1m。主橋主梁斷面圖如圖1所示，支點(diǎn)斷面如圖2所示。

該橋主橋現(xiàn)澆箱梁混凝土強(qiáng)度等級為C55，引橋預(yù)制小箱梁和現(xiàn)澆橋面混凝土鋪裝采用C50混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線強(qiáng)度等級為1860MPa。橋梁采用掛籃懸臂施工方式，按照先邊跨后中跨的順序進(jìn)行合龍作業(yè)。

2" "建立模型

利用Midas軟件構(gòu)建該橋梁的有限元模型，共包含80個(gè)梁單元。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的施工流程，橋梁施工被詳細(xì)劃分為60個(gè)不同施工階段，并模擬實(shí)際施工建立了固結(jié)和鉸接約束方式。

基本梁單元設(shè)置完成后，在設(shè)計(jì)中考慮了多種荷載因素，具體荷載包括二期恒載、可變荷載、預(yù)加應(yīng)力、溫度變化影響、支座沉降影響、混凝土十年收縮徐變作用等。全橋有限元模型如圖3。

3" "影響因素及應(yīng)對措施

本文針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋撓度的影響因素，選擇了二期荷載、十年收縮徐變、汽車荷載以上3個(gè)工況進(jìn)行分析。

3.1" "二期荷載影響及應(yīng)對措施

二期荷載對撓度的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整、預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、荷載水平、干濕交替的環(huán)境和二期恒載。

3.1.1" "結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整

通過調(diào)整結(jié)構(gòu)不同部位的剛度，如增加中支點(diǎn)梁高或跨中梁高，可對撓度產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為中支點(diǎn)梁高增加有助于減小撓度，但當(dāng)跨中與中支點(diǎn)梁高的比例接近某臨界值時(shí)，下?lián)蠝p小的速度會減慢。

3.1.2" "預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力損失對跨中長期撓度有顯著影響，特別是底板預(yù)應(yīng)力損失相較于頂板，其對跨中長期撓度的影響更為突出。預(yù)應(yīng)力用于防止結(jié)構(gòu)向下彎曲，但當(dāng)有效預(yù)應(yīng)力減小時(shí)，其防止彎曲的效果會減弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的撓度增加。

3.1.3" "混凝土收縮徐變

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中產(chǎn)生下?lián)系闹饕?，在于混凝土在使用過程中會產(chǎn)生收縮徐變，收縮徐變會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土之間會產(chǎn)生相對滑移，從而產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失。因此在一定程度上對于主跨跨中撓度變化，可以通過考慮以上2個(gè)因素進(jìn)行預(yù)測[9]。

3.1.4" "荷載水平和干濕交替的環(huán)境

荷載水平對腐蝕環(huán)境下混凝土構(gòu)件的撓度變形影響明顯。在腐蝕環(huán)境下，若梁結(jié)構(gòu)承受的荷載水平向較大，對比相同條件下承受荷載水平向較小的試驗(yàn)梁，其撓度值會更大。濕度不斷變化的環(huán)境也會使撓度產(chǎn)生波動趨勢。相對濕度發(fā)生變化較大，會使混凝土產(chǎn)生較大徐變，從而導(dǎo)致?lián)隙仍龃蟆?/p>

3.1.5" "二期恒載

在橋梁工程中，二期恒載通常指在橋梁建設(shè)完成后，隨著使用時(shí)間的推移新增的恒載，如瀝青鋪裝層、防撞墻等。這些荷載會直接增加橋梁的撓度。二期恒載對撓度的影響如圖4所示。

二期荷載對撓度的影響是多方面的，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、環(huán)境因素等多個(gè)層面。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮這些因素，通過合理的設(shè)計(jì)和施工來控制和減小二期荷載對撓度的影響。

3.2" "十年收縮徐變影響及應(yīng)對措施

徐變會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下繼續(xù)發(fā)生變形。這種變形是不可逆的，會導(dǎo)致橋梁的撓度增加。徐變效應(yīng)與時(shí)間相關(guān)，且在混凝土早期和加載初期發(fā)展較快，因此對于施工周期較長的大跨度橋梁，徐變對撓度的影響尤為重要。

收縮對撓度的影響主要在收縮引起的變形，因變形受到約束而產(chǎn)生的次內(nèi)力也會影響橋梁的撓度。收縮和徐變共同作用，會引起預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而影響橋梁的撓度。

在計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)。應(yīng)考慮混凝土的收縮與徐變。不同的計(jì)算模式和參數(shù)取值，對收縮徐變引起的撓度計(jì)算結(jié)果有顯著影響。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇合適的收縮徐變計(jì)算模式，并考慮材料和環(huán)境參數(shù)的變化。十年收縮徐變對撓度的影響如圖5所示。

在實(shí)際工程中，需要對橋梁的預(yù)拱度進(jìn)行計(jì)算，并考慮收縮徐變對成橋后變形的影響。十年的收縮徐變對橋梁撓度有顯著影響，需要在設(shè)計(jì)和施工階段進(jìn)行準(zhǔn)確評估和控制，以確保橋梁的安全性和使用壽命。

3.3" "汽車荷載影響及應(yīng)對措施

3.3.1" "影響因素

汽車荷載的位置、車速、載重、動力響應(yīng)和材料特性等都會影響橋梁的撓度。

一是車輛荷載位置。車輛荷載的位置對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響。偏載（即車輛荷載不均勻分布）會引起結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對橋梁的動力響應(yīng)影響較大，尤其是當(dāng)車輛沿橋梁外側(cè)行駛時(shí)，引起的動力響應(yīng)最大。

二是車速。車速的增加會顯著增加橋梁跨中的橫向位移、扭轉(zhuǎn)角度以及支座所承受的豎向力；同時(shí)，車速的增加會導(dǎo)致截面扭轉(zhuǎn)角增大，從而影響橋梁的撓度。

三是車輛載重。車輛的載重對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響，載重的增加會使橋梁的豎向位移、橫向位移、截面扭轉(zhuǎn)角和支反力的正向峰值和負(fù)向峰值均有所增加。

四是動力響應(yīng)。對于連續(xù)曲線梁橋，汽車荷載作用下的動力響應(yīng)分析顯示，偏載、車速、載重以及材料非線性等因素對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響?？紤]材料非線性后，計(jì)算所得位移峰值比線性分析結(jié)果略微偏大，軸重越大影響越大。盡管材料的非線性特性對支撐反力的影響不大，但它對結(jié)構(gòu)中間位置的豎向和水平位移，以及旋轉(zhuǎn)角度的峰值變化有一定的影響。

3.3.2" "應(yīng)對措施

在橋梁設(shè)計(jì)中，需要考慮這些因素以確保結(jié)構(gòu)的安全性和功能性。汽車荷載對撓度的影響如圖6所示。設(shè)計(jì)時(shí)通常會考慮到最不利的荷載組合，以確保橋梁在各種條件下的穩(wěn)定性和耐久性。

車荷載對橋梁撓度的影響是多方面的，這些因素共同作用于橋梁結(jié)構(gòu)，從而影響橋梁的撓度。在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)和維護(hù)中，這些因素都需要考慮和分析。

4" "結(jié)束語

撓度作為橋梁健康監(jiān)測的一個(gè)重要指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)反映橋梁的剛度和動態(tài)響應(yīng)，控制橋梁撓度有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害，保證橋梁的安全運(yùn)行。控制橋梁撓度能確保行車安全平穩(wěn)，特別對鐵路等有軌交通，有效管控?fù)隙饶茴A(yù)防列車脫軌事故的發(fā)生。本文以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^Midas建立有限元模型，探究影響橋梁撓度的多種因素及其作用程度，并提出針對性的解決方案，

增加構(gòu)件的截面尺寸可以增加構(gòu)件的抗彎剛度，從而減小構(gòu)件的撓度。通過優(yōu)化構(gòu)件的截面尺寸，可有效控制和降低撓度。使用高強(qiáng)度材料可以提高構(gòu)件的抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度，減少外力對構(gòu)件彎曲引起的撓度。

通過增設(shè)構(gòu)件的支撐部位，能有效控制構(gòu)件在承受荷載時(shí)的撓度。在設(shè)計(jì)階段，可以通過增加支撐點(diǎn)的數(shù)量和位置，或者增加支座和支架的剛度，來減小受彎構(gòu)件的撓度。

受彎構(gòu)件在受力過程中，可能發(fā)生幾何非線性行為。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮構(gòu)件的幾何非線性行為對撓度的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的分析和計(jì)算。梁的撓度與其跨度的n次方成正比，設(shè)法減小梁的跨度，能有效地減小梁的撓度，從而提高梁的剛度。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃勝勇.公路橋梁養(yǎng)護(hù)和加固維修技術(shù)的應(yīng)用研究[J].低碳世界，2024，14（2）：112-114.

[2] 莫興盛.公路橋梁常見病害影響因素及養(yǎng)護(hù)管理研究[J].低碳世界，2024，14（7）：133-135.

[3] 黃曉東.橋梁結(jié)構(gòu)動撓度變化規(guī)律及計(jì)算模型研究[J].山西建筑，2023，49（18）：171-174.

[4] 趙新宏，費(fèi)維水，宋寧，等.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)嫌绊憛?shù)敏感性分析[J].科技通報(bào)，2023，39（9）：83-89.

[5] 王海峰.公路橋梁懸澆連續(xù)梁節(jié)段間接縫對撓度的影響分析[J].交通世界，2023（18）：135-137+141.

[6] 胡曉旻.軌交橋梁撓度與溫度變化關(guān)系研究[J].價(jià)值工程，2023，42（9）：136-138.