新规范下大跨连续刚构桥长期挠度计算的反思.doc

窗体顶端
新规范下大跨连续刚构桥长期挠度计算的反思
窗体底端

 发布于：2009-2-21 10:21:53 作者/来源： 赵文强 【字体：小 大】【加入收藏】【关闭窗口】 

衡水职业技术学院（053000赵文强

摘　要：提高对混凝土收缩徐变的长期预测精度，是大跨度桥梁设计中要解决的一个关键问题。
考虑新规范中可变作用准永久值的影响，分三个阶段对大跨度预应力混凝土连续刚构桥的徐变
变形进行理论分析，探讨预测大跨度连续刚构桥长期挠度的方法，为此类桥梁的长期挠度预测
及改进设计方面提供依据。
关键词：桥梁工程；准永久值；分阶段；连续刚构；徐变变形；长期挠度预测

0 前 言
现有大跨度连续刚构桥跨中下挠过大已成为一种普遍的现象，尤其后期变形继续加大的问题出乎设计预测之外，这也是广大工程师们十分头疼的问题。究其原因主要是对混凝土收缩徐变的影响程度及长期性严重估计不足。预应力混凝土连续刚构桥由于混凝土的固有性能收缩徐变的影响，必然会造成桥梁结构的几何线型和内力状态随时间而发生变化，某建于1997年的主跨270m连续刚构桥，至2003年12月，实测下挠了22㎝；某主跨245m的一座同类结构的大桥，跨中也严重下挠，最大达32㎝。许多大跨度桥梁都有类似的现象，这会使桥梁运营期内出现不良线型而引起乘客的不舒适感，甚至危及高速行车时的安全。
文献[1]对主跨270m的连续刚构桥进行了连续7年的长期观测，结果是其主跨跨中挠度因混凝土徐变、收缩等因素逐年增长，而且尚未停止。因此提高混凝土收缩徐变的长期预测精度对连续刚构桥长期变形的分析和控制具有非常重要的现实意义。本文的分析方法可对该类型桥的使用状况有一个直观的认识，探索出一个较准确预测大跨度连续刚构桥长期挠度的方法，为此类桥梁的长期挠度预测及改进设计方面提供依据。
1 预测长期挠度的方法
徐变变形预测的传统方法仅考虑一、二期恒载的长期作用，实践证明，该方法对混凝土收缩徐变的影响程度及长期性估计不足，即目前对徐变变形还难于从理论上给出非常准确的预测，因此对实桥进行挠度观测和理论计算研究就显得非常重要。新规范[2]采用以概率理论为基础的极限状态法，以大
量调查实测资料和试验数据为基础，运用[1]统计数学的方法，寻求各随机变量的统计规律，规定在长期效应组合中应考虑可变作用准永久值的影响，使结构设计更符合客观实际。本文拟用文献[1]提供的某主跨270m连续刚构桥挠度长期观测的实测数据，考虑新规范中的准永久值来对理论徐变计算值进行验证，并通过有限元分析，最终对成桥后的长期徐变变形给出较准确的预测。
由于桥梁结构在营运状态下的应力一般不会很大(一般)，可以应用混凝土的线性徐变理论，分批施加应力所产生的应变满足叠加原理。故本文分如下三个阶段对实桥的徐变变形进行分析：第一阶段是在主体结构施工完成后但尚未进行二期恒载施工的间隙时间；第二阶段是二期恒载施工完成后但尚未通车的传统长期徐变挠度预测方法；第三阶段是考虑准永久值后运营期内的长期挠度预测。
2 桥例分析
2.1工程简介
某主跨270m的双壁墩预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为150m+270m+150m，主梁采用变截面箱形形式，桥宽31 m，分上下平行的2个单独桥方案，单桥宽15 m，上部构造采用悬臂浇筑的施工方法，其挠度长期观测数据如表1所示（只列出一幅桥（左线桥）的主跨跨中挠度的数据进行分析）。
表1 主跨跨中累计挠度实测数据
时间
(年月)
1997－
12
1998－
05
1999－
03
2000－
01
2000－
11
2001－
12
2002－
12
2003－
12
挠度(㎜)
0
0.63
60.31
96.83
137.69
161.92
179.6
207.49
2.2计算分析

本文使用大型通用有限元程序ANSYS对该桥的徐变变形及其随时间的发展规律进行3维有限元分析。利用ANSYS的用户程序特性（UPFs）进行2次开发，嵌入新规范中混凝土的徐变公式，混凝土的收缩按降温法等效考虑，利用ANSYS中单元的生死功能模拟施工过程。建模时混凝土部分采用solid95实体单元；预应力钢筋采用link8单元，ANSYS中考虑预应力的方法有很多种，如等效荷载法、初始应变法、降温法，本文采用初始应变法，将混凝土和预应力筋沿桥梁纵向划分为若干单元，可以实现混凝土与预应力钢筋共同工作，通过每个单元不同的实常数模拟力筋各处不同的应力，可以模拟应力损失的影响。但是该模型未考虑灌浆过程，即对于力筋的滑动问题，实桥采用后张法施工，在张拉过程中，力筋与混凝土之间没有粘结，存在接触与滑动，同时该阶段应按净截面计算应力，在张拉完毕灌浆后混凝土与力筋建立了粘结，实际上该简化对计算结果影响非常小。其有限元模型见图1所示，该桥是按全预应力进行设计，因为现关心的是徐变变形，以下计算仅给出徐变变形的计算结果，最后再与实测结果进行对比分析。
2.2.1第一阶段主体结构合拢后但尚未进行二期恒载施工的徐变变形 表2为桥梁主体结构合拢后随龄期而增长的徐变变形值，可以看出：徐变引起主梁上拱（负值），中孔跨中的徐变上拱变形均随时间而增长。
表2 桥梁主体结构合拢后随龄期而增长的徐变变形值
合拢后的天数（d）
10
20
30
40
50
60
中孔跨中竖向变位（mm）
-2.74
-4.58
-6.57
-8.71
-10.71
-12.28
以上结果表明：在一期恒载作用下的徐变变形随时间上挠，这对于后期的徐变变形是有利的，因此，尽量推迟二期恒载的施工时间能够减小后期的徐变变形。但是，在实际工程中往往工期比较紧，混凝土强度上来之后便立即施工二期恒载，下面假设二期恒载的施工周期为40天。
2.2.2第二阶段二期恒载施工完成后的长期徐变变形 全桥合拢后，二期荷载的施工周期为40天，此时二期载施工完成后的跨中长期徐变挠度随时间的计算结果如表3所示。可以看出，一、二期恒载共同作用下的长期徐变变形是下挠的，并且下挠值随时间的增长而增长，到300天基本达到徐变半终值，1800天后基本趋于稳定。
表3 二阶段徐变挠度随时间的计算结果/㎜
持荷时间（d）
150
450
750
1050
1440
1800
2160
跨中竖向变位
34.72
53.66
68.36
73.34
77.66
79.71
81.65
注：表中持荷时间指二期恒载施工完成后开始的。
2.2.3运营阶段考虑准永久值以后的长期挠度预测 按旧规范的传统长期徐变挠度预测的方法仅考虑一、二期恒载及预应力效应；新规范[2]将可变作用准永久值作为长期效应组合的一部分进行正常使用极限状态设计，据此对考虑准永久值后的长期挠度作如下分析：
表4 三阶段考虑准永久值后的徐变挠度随时间的计算结果/㎜
持荷时间(d)
150
450
750
1050
1440
1800
2160
中孔跨中竖向变位
58.49
97.74
130.02
158.19
163.60
168.44
172.87
注：表中持荷时间指二期施工完成后开始的。
按实际工程中二期恒载的施工周期40天，二期恒载施工完成后即通车，分析结果如表4所示，由表可以看出，第三阶段的徐变变形也是下挠的，并且其下挠值随时间的增长而增长，计算值也比第二阶段大得多，更接近于实测值。
3 理论分析
上述第二、三阶段的长期挠度计算值与实测值的对比见图2所示。

注：横坐标中的天数是根据实测值年限换算得到的。
图2 第二、三阶段长期徐变挠度计算值与实测值的对比
三个阶段的理论计算结果和实测值对比分析表明：第二阶段的理论值与挠度实测值有较大的差距，两者之间的差值在40%左右，最大达61%；考虑准永久值影响的第三阶段理论计算值与实测值相差不大，预测7年的徐变变形差值仅为16.7%。因此应用三阶段进行分析和推算桥梁营运期的长期徐变变形的方法是可取的。
但是，第三阶段5年后的长期预测挠度值与实测值仍存在一定的偏差，笔者分析认为，其主要原因是钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构除了承受恒载作用外，还要承受循环荷载（短期效应组合中的可变作用频遇值）的作用，使得混凝土结构的疲劳在长期性能分析方面成为不可忽视的问题[3]， A.M.Qzellhe和E.Ardaman[4]进行了8片预应力钢筋混凝土梁的疲劳试验，结果表明：在疲劳加载的前期，梁的变形很小，在加载后期，梁的挠度有显著的增大，这也同时验证了上述理论分析的正确性；另外，由于双薄壁墩连续刚构桥主墩的受力特点（墩顶、底弯矩大；边墩内外两片墩身的轴力差大；整个结构受温度影响大）使两片墩的变形不同，这也可能是主梁后期竖向挠度增大的一个因素。但是目前上述因素对长期徐变变形影响的定量计算尚未提出，为此，笔者建议，使用阶段的长期挠度预测，应按三阶段分析的结果，考虑混凝土结构的疲劳及温度长期效应的影响，在5年后乘以1.15～1.25的长期增长系数更符合客观实际情况。
对一主跨130m的预应力混凝土连续刚构实桥（吉林省红岭河高架桥）进行了三阶段分析，该桥墩柱采用双薄壁式柔性墩，最大墩高45m。预测的长期徐变挠度乘以1.2倍的长期增长系数后值为4.23㎝，并按此设置了5㎝的预拱度。
4 结 语

通过以上分析得出如下结论：
(1) 施工期允许的情况下，尽量推迟二期恒载的施工时间，对减少长期徐变变形是有利的。
(2) 分析和推算桥梁的长期徐变变形应考虑新规范中准永久值的影响。
(3) 综合考虑混凝土疲劳及温度长期效应的影响，按上述三阶段预测的结果，在5年后乘以1.15～1.25的长期增长系数更符合客观实际情况。

参考文献：
[1] 杨志平，朱桂新，李卫.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测[J].公路，2004，(8).　
[2] JTG D62-2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[3] 查全璠，肖建庄.钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述[J].世界桥梁，2004(3).
[4] A.M.Qzellhe，E.Ardaman.Fatigue tests of pre-tensioned prestressed beams [J].ACI
Journal Proceedings.1956，53(10):413-424.