大跨徑PC連續(xù)梁橋長期下?lián)厦舾行苑治?/h1>
2021-07-30 11:50:58趙一波馮步文
山東交通科技 2021年3期
趙一波，王 彬，馮步文
（山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002）
引言
現(xiàn)代化的公路交通體系建設(shè)中，隨著大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的廣泛應(yīng)用，施工和運(yùn)營期間的眾多問題也慢慢暴露，尤其是混凝土梁橋下?lián)蠁栴}已經(jīng)成為工程界亟需解決的問題。例如，虎門大橋輔航道橋于1997 年建成通車，是一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑為150 m +270 m +150 m，運(yùn)營7 a 后，該橋各跨跨中都出現(xiàn)明顯地下?lián)稀Ｖ锌缈缰凶畲笙聯(lián)狭窟_(dá)到305 mm，其余各跨下?lián)暇?10 mm 以上。此外，黃石大橋、三門峽黃河公路大橋、廣東南海金江大橋等大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋都發(fā)生跨中部位下?lián)犀F(xiàn)象，甚至在梁體底板腹板等部位出現(xiàn)大量裂縫[1]。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中下?lián)蠒沽后w發(fā)生開裂，而梁體開裂又導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)剛度下降，加劇跨中下?lián)?，兩者相互影響，形成惡性循環(huán)，對橋梁的安全運(yùn)營構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。
1 工程概況
該橋為三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁全長280 m，跨徑組合為75 m +130 m +75 m，箱梁采用單箱雙室截面。箱梁根部梁高800 cm，跨中梁高350 cm，主梁梁高和底板厚度采用1.8 次拋物線變化，在合攏段的箱梁的底板厚度為30 cm，主墩墩頂?shù)装搴穸葹?0 cm。上部結(jié)構(gòu)采用C55 混凝土，主梁預(yù)應(yīng)力的鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線（松弛等級為Ⅱ級），公稱直徑15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa,彈性模量為1.95×105MPa。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，先懸臂澆筑施工至最大懸臂端，然后進(jìn)行邊跨合攏，最后進(jìn)行中跨合攏。
2 模型建立
在計算分析時，將橋梁簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)，采用Midas/Civil 有限元軟件進(jìn)行仿真計算，根據(jù)設(shè)計圖紙將全橋劃分為90 個單元。邊界條件方面采用一般支撐模擬支座，臨時錨固采用節(jié)點(diǎn)固結(jié)和彈性連接剛性模擬。在劃分施工階段時，考慮到橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工方法，為模擬懸臂施工過程，將施工過程劃分為65 個施工階段。
主梁采用C55 混凝土，彈性模量為3.55 ×104MPa；主梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線（松弛等級為Ⅱ級），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 為1 860 MPa,計算彈性模量為1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力1 339 MPa。有限元模型見圖1。
圖1 連續(xù)梁橋有限元模型
3 連續(xù)梁橋長期下?lián)厦舾行苑治?/h2>
影響橋梁跨中下?lián)弦蛩乇姸啵攸c(diǎn)從橋梁預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、混凝土彈性模量等方面分析這些因素對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中下?lián)系挠绊憽?/p>
3.1 縱向預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
為研究橋梁縱向預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊?，將橋梁的頂板、腹板和底板預(yù)應(yīng)力分別折減10%、20%和30%，將未折減預(yù)應(yīng)力的橋梁撓度作為基準(zhǔn)值，選擇邊跨和中跨最大下?lián)咸幍膿隙茸鳛檠芯繉ο?，將各部位鋼束預(yù)應(yīng)力損失作為控制變量。例如，頂板縱向預(yù)應(yīng)力損失10%，其余部位預(yù)應(yīng)力不損失，分析其對橋梁結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊慬3-4]。各部位鋼束預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)撓度的影響見圖2、圖3。
圖2 各部位預(yù)應(yīng)力損失對邊跨最大撓度影響趨勢
圖3 各部位預(yù)應(yīng)力損失對中跨最大撓度影響趨勢
由圖2、圖3 可知：（1）隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，邊跨和中跨最大下?lián)咸幍膿隙瘸示€性變化。對于邊跨部位，頂板預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊懽畲?；對于中跨，預(yù)應(yīng)力損失對中跨撓度影響更為嚴(yán)重。（2）中跨底板預(yù)應(yīng)力損失會引起邊跨上撓，邊跨底板預(yù)應(yīng)力損失會引起中跨上撓，且撓度隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加而增加。
3.2 混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
對于收縮徐變的計算模型，目前國際上存在多種計算方式，考慮因素也不盡相同，給設(shè)計中的徐變變形預(yù)測帶來困難。以公路新橋規(guī)中的徐變計算模型為基礎(chǔ)，研究收縮徐變對結(jié)構(gòu)長期撓度的影響。影響混凝土收縮徐變的因素眾多，選取成橋時間和環(huán)境年平均相對濕度兩個參數(shù)分析收縮徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊憽?/p>
3.2.1 成橋時間對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
采用Midas/Civil 有限元軟件進(jìn)行收縮徐變對結(jié)構(gòu)分析時，分別從成橋、成橋1 a、成橋3 a、成橋5 a、成橋10 a 五種工況分析收縮徐變對長期下?lián)系挠绊慬5]。圖4 為各工況下的最大撓度值。
圖4 成橋時間對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
由圖4 中結(jié)果對比分析可知，邊跨成橋3 a 內(nèi)下?lián)陷^快，由成橋時的19.3 mm 增加到22.4 mm，3 a 后，撓度增長緩慢，變化不大。對于中跨，成橋短時間內(nèi)撓度變化不大，成橋1 a 后中跨在混凝土徐變作用下?lián)隙蕊@著增加，成橋10 a 后的中跨下?lián)狭窟_(dá)到22 mm。
3.2.2 環(huán)境相對濕度對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
為了研究相對濕度對大跨度連續(xù)梁橋長期撓度的影響，取環(huán)境年平均相對濕度RH 為 40%、55%、70%、80%四個工況進(jìn)行分析[6]。圖5 為各工況下的邊跨和中跨最大撓度值。
圖5 環(huán)境年平均相對濕度對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
由圖5 可知，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的最大下?lián)现禃S著環(huán)境年平均相對濕度的增加而減小，這種影響對中跨更為顯著，與年平均相對濕度40%相比，中跨在年平均相對濕度80%的條件下，撓度減少了7.3 mm，所以混凝土在干燥的環(huán)境中，相對濕度較低，其徐變明顯高于潮濕環(huán)境條件下的徐變。
3.3 混凝土彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
在施工過程中，特別是在大跨徑混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，為加快施工進(jìn)度，在混凝土中加入早強(qiáng)劑然后進(jìn)行早齡期張拉。根據(jù)大量研究證明，早強(qiáng)劑雖然能夠在短期內(nèi)提高混凝土早期強(qiáng)度，但是，此時混凝土強(qiáng)度雖然達(dá)到要求但彈性模量仍偏低，這種條件下張拉混凝土將導(dǎo)致混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下?lián)?。為了分析彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?，計算時取1.4E、1.2E、E、0.8E、0.6E 五種工況進(jìn)行分析[7-8]。圖6 為各工況下邊跨、中跨最大撓度值。
圖6 混凝土彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊?/p>
根據(jù)分析可知，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的邊跨和中跨撓度均隨著彈性模量的減小而增加，且撓度變化與混凝土彈性模量之間呈非線性關(guān)系，隨著彈性模量減小，結(jié)構(gòu)下?lián)纤俾试黾樱一炷翉椥阅Ａ孔兓瘜χ锌缦聯(lián)系挠绊懸哂谶吙??；炷翗蛄旱膭偠仍诔叽缫欢ǖ那疤嵯拢饕懿牧蠌椥阅Ａ康挠绊?，彈性模量越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，結(jié)構(gòu)越不易發(fā)生下?lián)稀?/p>
4 結(jié)語
（1）大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋縱向預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊戯@著，結(jié)構(gòu)下?lián)狭颗c縱向預(yù)應(yīng)力損失量呈線性關(guān)系，預(yù)應(yīng)力損失越大，結(jié)構(gòu)下?lián)显酱?。邊跨底板預(yù)應(yīng)力損失會加劇邊跨下?lián)?，減小中跨下?lián)?；中跨底板預(yù)應(yīng)力損失會加劇中跨下?lián)?，減小邊跨下?lián)?；頂板和腹板縱向預(yù)應(yīng)力損失均會導(dǎo)致邊跨和中跨的結(jié)構(gòu)下?lián)?。?）混凝土收縮徐變是導(dǎo)致大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋下?lián)系闹饕蛩兀熳兊挠绊懸蛩乇姸?，隨著橋梁運(yùn)營年限的增加，混凝土徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊懸苍酱??；炷恋沫h(huán)境年平均相對濕度也對結(jié)構(gòu)跨中下?lián)嫌绊戯@著，相對濕度愈大，混凝土徐變愈小。（3）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的邊跨和中跨撓度均隨著彈性模量的減小而增加，且撓度變化與混凝土彈性模量之間呈非線性關(guān)系，混凝土彈性模量變化對中跨下?lián)系挠绊懸哂谶吙??；炷翉椥阅Ａ康淖兓瘯?dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，使得梁體容易發(fā)生下?lián)祥_裂。因此，當(dāng)梁體出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低時，必須采取有效措施進(jìn)行處理，否則，裂縫的增多會加劇結(jié)構(gòu)剛度下降，出現(xiàn)更多裂縫，形成惡性循環(huán)，給橋梁運(yùn)營帶來嚴(yán)重的安全隱患。
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1 工程概況
該橋為三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁全長280 m，跨徑組合為75 m +130 m +75 m，箱梁采用單箱雙室截面。箱梁根部梁高800 cm，跨中梁高350 cm，主梁梁高和底板厚度采用1.8 次拋物線變化，在合攏段的箱梁的底板厚度為30 cm，主墩墩頂?shù)装搴穸葹?0 cm。上部結(jié)構(gòu)采用C55 混凝土，主梁預(yù)應(yīng)力的鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線（松弛等級為Ⅱ級），公稱直徑15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa,彈性模量為1.95×105MPa。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，先懸臂澆筑施工至最大懸臂端，然后進(jìn)行邊跨合攏，最后進(jìn)行中跨合攏。
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在計算分析時，將橋梁簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)，采用Midas/Civil 有限元軟件進(jìn)行仿真計算，根據(jù)設(shè)計圖紙將全橋劃分為90 個單元。邊界條件方面采用一般支撐模擬支座，臨時錨固采用節(jié)點(diǎn)固結(jié)和彈性連接剛性模擬。在劃分施工階段時，考慮到橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工方法，為模擬懸臂施工過程，將施工過程劃分為65 個施工階段。
主梁采用C55 混凝土，彈性模量為3.55 ×104MPa；主梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線（松弛等級為Ⅱ級），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 為1 860 MPa,計算彈性模量為1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力1 339 MPa。有限元模型見圖1。
圖1 連續(xù)梁橋有限元模型
3 連續(xù)梁橋長期下?lián)厦舾行苑治?/h2>
影響橋梁跨中下?lián)弦蛩乇姸啵攸c(diǎn)從橋梁預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、混凝土彈性模量等方面分析這些因素對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中下?lián)系挠绊憽?/p>
3.1 縱向預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
為研究橋梁縱向預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊?，將橋梁的頂板、腹板和底板預(yù)應(yīng)力分別折減10%、20%和30%，將未折減預(yù)應(yīng)力的橋梁撓度作為基準(zhǔn)值，選擇邊跨和中跨最大下?lián)咸幍膿隙茸鳛檠芯繉ο?，將各部位鋼束預(yù)應(yīng)力損失作為控制變量。例如，頂板縱向預(yù)應(yīng)力損失10%，其余部位預(yù)應(yīng)力不損失，分析其對橋梁結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊慬3-4]。各部位鋼束預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)撓度的影響見圖2、圖3。
圖2 各部位預(yù)應(yīng)力損失對邊跨最大撓度影響趨勢
圖3 各部位預(yù)應(yīng)力損失對中跨最大撓度影響趨勢
由圖2、圖3 可知：（1）隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，邊跨和中跨最大下?lián)咸幍膿隙瘸示€性變化。對于邊跨部位，頂板預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊懽畲?；對于中跨，預(yù)應(yīng)力損失對中跨撓度影響更為嚴(yán)重。（2）中跨底板預(yù)應(yīng)力損失會引起邊跨上撓，邊跨底板預(yù)應(yīng)力損失會引起中跨上撓，且撓度隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加而增加。
3.2 混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
對于收縮徐變的計算模型，目前國際上存在多種計算方式，考慮因素也不盡相同，給設(shè)計中的徐變變形預(yù)測帶來困難。以公路新橋規(guī)中的徐變計算模型為基礎(chǔ)，研究收縮徐變對結(jié)構(gòu)長期撓度的影響。影響混凝土收縮徐變的因素眾多，選取成橋時間和環(huán)境年平均相對濕度兩個參數(shù)分析收縮徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊憽?/p>
3.2.1 成橋時間對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
采用Midas/Civil 有限元軟件進(jìn)行收縮徐變對結(jié)構(gòu)分析時，分別從成橋、成橋1 a、成橋3 a、成橋5 a、成橋10 a 五種工況分析收縮徐變對長期下?lián)系挠绊慬5]。圖4 為各工況下的最大撓度值。
圖4 成橋時間對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
由圖4 中結(jié)果對比分析可知，邊跨成橋3 a 內(nèi)下?lián)陷^快，由成橋時的19.3 mm 增加到22.4 mm，3 a 后，撓度增長緩慢，變化不大。對于中跨，成橋短時間內(nèi)撓度變化不大，成橋1 a 后中跨在混凝土徐變作用下?lián)隙蕊@著增加，成橋10 a 后的中跨下?lián)狭窟_(dá)到22 mm。
3.2.2 環(huán)境相對濕度對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
為了研究相對濕度對大跨度連續(xù)梁橋長期撓度的影響，取環(huán)境年平均相對濕度RH 為 40%、55%、70%、80%四個工況進(jìn)行分析[6]。圖5 為各工況下的邊跨和中跨最大撓度值。
圖5 環(huán)境年平均相對濕度對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/p>
由圖5 可知，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的最大下?lián)现禃S著環(huán)境年平均相對濕度的增加而減小，這種影響對中跨更為顯著，與年平均相對濕度40%相比，中跨在年平均相對濕度80%的條件下，撓度減少了7.3 mm，所以混凝土在干燥的環(huán)境中，相對濕度較低，其徐變明顯高于潮濕環(huán)境條件下的徐變。
3.3 混凝土彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?/h3>
在施工過程中，特別是在大跨徑混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，為加快施工進(jìn)度，在混凝土中加入早強(qiáng)劑然后進(jìn)行早齡期張拉。根據(jù)大量研究證明，早強(qiáng)劑雖然能夠在短期內(nèi)提高混凝土早期強(qiáng)度，但是，此時混凝土強(qiáng)度雖然達(dá)到要求但彈性模量仍偏低，這種條件下張拉混凝土將導(dǎo)致混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下?lián)?。為了分析彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊?，計算時取1.4E、1.2E、E、0.8E、0.6E 五種工況進(jìn)行分析[7-8]。圖6 為各工況下邊跨、中跨最大撓度值。
圖6 混凝土彈性模量對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊?/p>
根據(jù)分析可知，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的邊跨和中跨撓度均隨著彈性模量的減小而增加，且撓度變化與混凝土彈性模量之間呈非線性關(guān)系，隨著彈性模量減小，結(jié)構(gòu)下?lián)纤俾试黾樱一炷翉椥阅Ａ孔兓瘜χ锌缦聯(lián)系挠绊懸哂谶吙??；炷翗蛄旱膭偠仍诔叽缫欢ǖ那疤嵯拢饕懿牧蠌椥阅Ａ康挠绊?，彈性模量越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，結(jié)構(gòu)越不易發(fā)生下?lián)稀?/p>
4 結(jié)語
（1）大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋縱向預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊戯@著，結(jié)構(gòu)下?lián)狭颗c縱向預(yù)應(yīng)力損失量呈線性關(guān)系，預(yù)應(yīng)力損失越大，結(jié)構(gòu)下?lián)显酱?。邊跨底板預(yù)應(yīng)力損失會加劇邊跨下?lián)?，減小中跨下?lián)?；中跨底板預(yù)應(yīng)力損失會加劇中跨下?lián)?，減小邊跨下?lián)?；頂板和腹板縱向預(yù)應(yīng)力損失均會導(dǎo)致邊跨和中跨的結(jié)構(gòu)下?lián)?。?）混凝土收縮徐變是導(dǎo)致大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋下?lián)系闹饕蛩兀熳兊挠绊懸蛩乇姸?，隨著橋梁運(yùn)營年限的增加，混凝土徐變對結(jié)構(gòu)下?lián)系挠绊懸苍酱??；炷恋沫h(huán)境年平均相對濕度也對結(jié)構(gòu)跨中下?lián)嫌绊戯@著，相對濕度愈大，混凝土徐變愈小。（3）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的邊跨和中跨撓度均隨著彈性模量的減小而增加，且撓度變化與混凝土彈性模量之間呈非線性關(guān)系，混凝土彈性模量變化對中跨下?lián)系挠绊懸哂谶吙??；炷翉椥阅Ａ康淖兓瘯?dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，使得梁體容易發(fā)生下?lián)祥_裂。因此，當(dāng)梁體出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低時，必須采取有效措施進(jìn)行處理，否則，裂縫的增多會加劇結(jié)構(gòu)剛度下降，出現(xiàn)更多裂縫，形成惡性循環(huán)，給橋梁運(yùn)營帶來嚴(yán)重的安全隱患。
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