新建预应力混凝土梁上拱度研究.pdf

第 3 7卷 ， 第 3期 2 0 1 2年 6 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 3 7，No 3 J u n，2 0 1 2 新建预应 力混凝土梁上拱度研 究 聂 伟 ( 湖南 省交 通科学研究院 ，湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘 要 对新建 预应力混 凝土梁徐变对上拱度进行 了研究 。通过研究 可知 ， 存 梁控制 前 3个月徐 变引起 的 上 拱度变化值相对 比较重要 ； 为 降低拼接 时新 旧桥的位移差 ， 在不 采取其他措施 的情况下 ， 建议存梁 4 0 d ( 最多不 能超过 3个 月 ) ， 以减小混凝土收缩徐变对起拱 的影 响 ； 分批 张拉 预应力筋 及预压主梁对控制拼接时对新桥 的总上 拱度有 一定 效果 ， 预压主梁的效果较为 明显 ， 拼 接后 的徐变位 移差都 很小 ， 影响也很 小 ； 采用存梁 4 0 d的方法 ， 可 轻松地满 足施工工期安排 的时间 ， 不需采取分批张拉 预应力筋及 预压主 梁的措施 ， 也可 达到控制结 构上拱度 的 目 标 。 【 关键 词 】混凝 土 ； 徐变 ； 存 梁 ； 位移 中图分 类号 U 4 4 8 3 5 文献标识 码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 2 2 1 0 5 Re s e a r c h o n t h e Ar c h o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Be a m NI E W e i (Hu n a n C o n m mu n i c a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e， C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，i t r e s e a r c h o n t h e n e w p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m C r e e p t o c a m b e r Th r o u g h t h e s t u d y s h o ws t h a t t h e c o n t r o l b e a m wi t h 3 mo n t h s b e f o r e c r e e p o f t h e c h a n g e o f t h e a r c h c a u s e d t h e v a l u e i s r e l a t i v e i mp o r t a n t ；I n o r d e r t o r e d u c e t h e j o i n i n g t o g e t h e r o f t h e o l d b r i d g e o f d i s p l a c e me n t， i n n o o t h e r m e a s u r e s ， i t s u g g e s t t h a t s t o r a g e b e a m 4 0 d a y s( u p t o n o m o r e t h a n 3 m o n t h s ) ， r e d uc e s h r i n k a g e o f c o n c r e t e c r e e p t o t he i n flu e nc e o f t he a r c h；P a rti a l t e n s i o n p r e s t r e s s e d g i r d e r a n d p r e l o a d i n g c a n c o n t r o l j o i n i n g t o g e t h e r o f t h e n e w b r i d g e o f t o t a l a r c h， a n d p r e l o a d i n g t h e e f f e c t o f ma i n g i r d e r i s o b v i o u s ，a n d j o i n i n g t o g e t h e r t h e c r e e p o f d i s p l a c e me n t i s v e r y s ma l l ；Us i n g t h e me t h o d o f 4 0 d a y s wi t h b e a m ，c a n be e a s i l y a a n g e t o me e t t he c o n s t r uc t i o n p e r i o d o f t h e t i me，i t d o n o t n e e d t o t a k e p a r - t i a l t e ns i o n p r e s t r e s s e d g i r d e r a n d p r e l o a d i n g me a s u r e s，a l s o c o n a c h i e v e c o n t r o l s t r u c t u r e o n t he g o a l o f a r c h d e g r e e s Ke y wo r d s C o n c r e t e 。； C r e e p ； S t o r a g e g i r d e r ； D i s p l a c e me n t 1 概 述 所谓混凝 土徐 变 是指在持 续荷载作 用下 ， 混凝土结构的变形将随时间不断增加的现象 。一般 徐 变 是瞬 时 弹性 变形 的 1 3倍 ， 在混 凝 土 结 构 设 计 中是个不可忽略 的重要 因素。改扩建项 目中， 旧桥 混 凝 土 收缩 、 徐 变 已基本 完成 ， 旧桥 的挠 度在 二 期 恒 载和 活载 的 作用 下 已趋 于稳定 。新 建预 应力 混 凝 土 梁在 预应 力 作用 下 ， 会 产 生 向上 的拱 度 。新 、 旧 桥连接后 ， 因为收缩徐变 的影响上拱度 随着 时间不 断变 化 ， 对 旧桥 产 生 附 加 内力 。拼 接后 徐 变变 形 差 对 旧桥 、 横 接 板 的 内力 影 响较 小 。因此 ， 本文 侧重 研 究如何 控制 结构 总 上拱 度 ， 采取 相 应 办 法 减小 新 建 桥梁上拱度对拼接结构及桥面线形的不利影响。 2 混凝土徐变对上拱度的影响及计算方法 2 1徐 变性质 混凝土徐变与应力 的性质和大小、 加载时混凝 土 的龄期 及荷载 的持续 时 间有 密切关 系 。徐变 还与 其组成材料及其配合 比， 周围环境 的温度 、 湿度， 构 件截 面形式 与混 凝土 的养 护条件 、 龄 期都有 关 系。 一 般来 说 ， 混凝 土徐 变对结 构 的变形 、 结构 的 内 力分布和结构内截面的应力分布都会产生影响 ： 结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度。 收稿 日期 2 O l 2 0 l 一 2 2 作者 简介聂伟 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 湖南长沙人 ， 工程师 ， 主要从事路桥专业设计研究 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 2 公路工程 3 7卷 徐变会增大偏压柱 的弯曲， 由此增大初始偏 心 ， 降低柱承载能力。 预应 力混凝 土构件 中， 徐 变导致 预应力损 失 。 徐变会使组合结构截面上的应力重新分布。 在桥梁结构中， 混凝土 的使用应力一般不超过 其极限强度的4 0 一 5 0 。从 试验 中观察 到， 当混 凝土棱柱体在持续应力不大于 0 5 R a ( 混凝土棱柱 强度) 时 ， 徐 变变形表 现出与初始弹性变形 成比例 的线性关系。因此 ， 我们 以徐变线性理论为基础讨 论结构徐变变形 。这样 ， 在整个使用荷载应力范围 内， 可引入徐变特性系数 ( 简称徐变系数) ， 建立徐 变应变的关系式 ： ：TA l c ： m-c 垒 ： 。 ，即 ： 变应变的关系式： 8 = T = 百 乎 ： s 。 ， 即 = U e - 8 8 。式 中： s 为混凝 土徐 变应变 ； s 为混凝 土徐 变开始时， 在荷载作用下混凝 土的瞬时弹性应变值。 2 2 徐 变理论及 计 算方 法 在实际工程结构中 ， 结构各部件可能是 同一加 载龄期 ， 或者是不同加载龄期 ， 因而必须研究徐变系 数与加载龄期的关系及在时间变量下的变化规律 。 徐变理论主要有 ：老化理论 、 先天理论、 混合理 论。这些理论都是线性徐变下 的计算理论 ， 即服从 鲍 尔茨 曼 ( L B o l t z ma n ) 叠加 原 理 ： 在 时间 t 变应 力 作用下的总应变 艿 ( t ) 为每一应力增 量 ( ) 引起 的应变的总和。徐变系数是在不变的应力条件下 ， 徐变变形为 = 艿 。 徐变系数 的数学模式 ， 即反映徐变系数随时间 变化规律的数学 函数式 ， 或简称徐变 曲线 函数式。 上述不 同理论都表 明， 只要确立徐变基本曲线的函 数式 ， 任意加载龄期 r在任意观察时刻 t ( t r ) 的混 凝土徐变系数 ( t ， f ) 即可求得。 3 结构上拱 度计算分 析及控 制 以 5 X 3 0 m简支变连续预应力混凝土预制箱梁 为例， 计算拼接处 5片新梁上拱度， 参照 公路钢筋 混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 下的通用图 ， 采用桥梁 专用 软件桥梁博士 建 模计算 ， 结构离散图如图 1所示 。 图 1 结构 离散 图 F i g ur e 1 St r u c t ur e d i s c r e t e ma p 3 1 不 同存 梁时 间上拱度 的计 算 设定各 单元 加载龄 期 为 1 0 d ， 即混 凝 土养护 1 0 d后张拉预应 力筋。分别 计算边跨、 次边跨、 中 跨在各施工阶段跨中累计上拱度值及徐变引起的挠 度变化 值 ， 结果 见表 1 。 通车以后 ， 汽车活载作用下产生的挠度 ， 跨中最 大 向 下 竖 向 位 移 边 跨 为 7 4 7 m m， 次 边 跨 为 4 0 7 m m， 中跨为4 0 6 mm。 结果分析 ：以次边跨上拱度值为例说明存梁时 间对上拱度的影响。 由表 1 可知： 施工 阶段 1 存梁时间内， 徐变引起 的挠 度 变 化 值 ： 方 案 I为 l 3 5 3 m m， 方 案 为 l 4 9 7 m m， 方案 为 l 6 2 9 mm。施 工阶段 6新 旧 桥拼接时 ， 上拱度 累计值 ： 方案 I为 3 0 5 m m， 方案 为 3 1 7 m m， 方案 为 3 2 8 mm。施工阶段 79 在新 旧桥拼接后 ， 由于徐变 、 铺沥青混凝土层等因素 引起 的上拱度变化值 ： 方案 I为 0 9 mm， 方案 为 1 2 mm， 方 案 为 1 2 mm。 随着存梁时间的增加 ， 混凝土收缩徐变变形值 逐渐增大， 徐变引起的上挠也逐渐增加 ， 从而上拱度 的累计 值增 大 。 主梁 预 制 后 混 凝 土 徐 变 开始 发 生 ， 前 3个月基本完成 6 0 左右的徐 变， 随着时间的增 加， 其值逐渐增加 ， 徐变速率逐渐减小 。所以， 控制 前 3个月徐变引起的上拱度变化值相对比较重要。 由于梁底处模板与混凝土梁体的摩阻力及混凝 土的弹性模量较理论值偏 大， 新桥拼接时实际的上 拱度较理论值偏小 ， 旧桥经过 1 0 a的运营 ， 上拱度 已趋于零 ， 少许有不大于 1 c m 的下挠， 在拼接 以前 新旧桥的位移差可以通过铺装调平层调整。为降低 拼接时新旧桥的位移差， 在不采取其他措施 的情况 下， 建议存梁 4 0 d ( 最多不能超过 3个月 ) ， 以减小 混凝 土收 缩徐 变对起 拱 的影 响 。 因结构 自身特点及受力情况 ， 拼接后 的上拱度 变化值较小 ， 若在架设 主梁 56个 月后拼接 ， 拼接 后上拱度控制不需要采取特殊措施。 由于结构受力的特点 ， 在新旧桥拼接时 ， 边跨的 上拱度较中跨、 次边跨偏小 ， 分批预制主梁 时， 建 议 先预制边跨主梁 ， 相对延长其存梁时间 ， 使边跨上拱 趋 近于 中跨及 次边 跨 ， 利于 调整桥 梁纵 向线形 。 3 2 分 阶段 张拉 预 应 力 筋与 预 压 主 粱上 拱 度 的 计 算 在 考 虑徐 变 对挠 度 的影 响时 ， 如 果 在 预 应力 和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 聂 伟 ： 新建预应力混凝土梁上拱度研究 2 2 3 注：方案 I一存梁 4 0 d ， 方案 存梁 6 0 d ， 方案 一存梁 9 0 d 。位移向上为正， 向下为 负。 长期荷载的组合作用下达到平衡的荷载阶段 ， 以致 在所有截面的混凝 土内主要承受匀布压应力 ， 于是 徐变对挠度的影响消失 ， 从 而可 以维持使挠度接近 于零 。在 实 际工程 中， 很难 完全 消 除徐 变 的影 响 ， 徐 变在 前 3个 月 基 本 完 成 6 0 左 右 ， 所 以尽 量 控制前 3个月徐变对上拱度的影响对控制整个结构 的上拱 度 相对 比较 有效 。下 面采 用分 阶段 张拉 预应 力 筋 与预压 主梁两 种 方法进 行 比较 。 分阶段张拉预应力筋分为 3个步骤 ： 混凝土 养护 1 0 d后 张拉边跨正弯矩区全部预应力筋 、 次边 跨及中跨正弯矩区部分预应力筋 ；存梁 8 5 d后 ， 张拉余下的正弯矩 区预应力筋 ， 架设 主梁 ；浇筑 湿接缝后张拉负弯矩区预应力筋 ； 施工步骤见图 2 。 预 压主梁步骤 ： 混凝 土养护1 0 d 后 ， 张拉 全部 步 聚 步聚 步聚 图 2 分阶段张拉预应力筋步骤 图 F i g u r e 2 S t a g e d t e ns i o ni ng p r e s t r e s s i n g t e nd o n s s t e p s Fi g u r e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 4 公路工程 3 7卷 预应力筋 ， 然后采用压重如图 3所示 的沙袋预压 主 梁。8 5 d后卸载， 架设主梁 ， 浇注湿接缝。 分别计算分 阶段张拉预应力筋 与预 压主梁边 跨、 次边跨 、 中跨在各施工阶段跨中上拱度累计值及 徐变引起的挠度变化值 ， 结果见表 2 。 方 案 比较 ： 存梁 4 0 d 、 分批张拉预应力束、 预压主梁 3种方 图 3 预压主梁压重布置 图 Fi g ur e 3 Pr e l o a d i n g t he ma i n b e a m pr es s ur e r e l a y ou t 表 2施工阶段上拱度值 Ta b l e 2 Th e c a mb e r o n t he c o n s t r uc t i o n ph a s e 案施工工序见表 3 ， 方案优缺点 比较见表 4 。 据以上施工 工序及时问安排 ， 三种方案均能控 制在工期安排之内， 施 工时， 应根据不 同标段， 具体 安排施 工 时间 。 据 以上 优 缺 点 比较 可 知 ： 分 批 张拉 预 应 力筋 及 预 压主 梁对 控 制 拼 接 时 新 桥 的 总 上 拱 度 有 一 定 效 果 ， 预压 主梁 的效 果较 为 明显 ； 拼接 后 的徐 变位 移差 都很小 ， 影响也很小； 从施工工期 的安排考虑 ， 分批 张拉预应力筋及预压主梁控制工期排列 ； 考虑经济 及施工条件 ， 分批张拉预应力筋及预压主梁都需要 额外的施工设施 ， 实施较为复杂。存梁 4 0 d拼接时 总上 拱 度可 以控 制在 3 c m 左 右 ， 可 通 过 横接 板 、 湿 接缝及调平层来调整。综合考虑 ， 采用存梁 4 0 d的 方法 ， 可轻 松地 满足施 工工期 安 排 的时 间 ， 不 需采取 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 聂伟 ： 新建 预应力混凝土梁上拱度研究 2 2 5 比较 内容 存 梁 4 0 d 拼接时总上拱度 ram 拼接后 5 a 徐变 引起上拱 度变化 mm 施工设施 建议 边跨 2 8 8 次边跨 3 O 5 中跨 3 0 5 边跨 1 3 次边跨 一 0 0 7 中跨 一0 2 9 无 先预制边跨主梁 ， 再预制中跨 、 次边跨主梁 分批张拉预应力筋 预压主梁 边跨 2 8 4 次边跨 2 5 7 中跨 2 5 8 边跨 一 0 2 9 次边跨 一 0 4 4 中跨 一0 4 6 两次使用张拉锚具 分批张拉后保持梁体平稳 边跨 2 O 7 次边跨 2 2 O 中跨 2 2 1 边跨 一 0 7 6 次边跨 一0 8 0 中跨 一 0 9 1 沙袋 ， 占用场地 预压的重量准确控制 分批 张拉 预应 力 筋 及 预 压 主梁 的措 施 ， 也 可 达 到 控 制结构上拱度的 目标 。 4 结 论 本 文 通 过对 新 建 预 应 力混 凝 土 梁 上 拱 度研 究 ， 得 到 以下 结 论 ： 存梁控制前 3个月徐变引起的上拱度变化 值相 对 比较 重要 。 为降低拼接时新旧桥 的位移差 ， 在不采取其 他措施 的情况下 ， 建议存梁 4 0 d ( 最多不能超 过 3 个 月 ) ， 以减 小混 凝 土收 缩徐 变对 起拱 的影 响 。 分批 张拉 预应力筋及预压主梁对控制拼接 时新桥的总上拱度有一定效果 ， 预压主梁的效果较 为明显 ； 拼接后的徐变位移差都很小 ， 影响也很小 。 采 用存 梁 4 0 d的方 法 ， 可 轻 松 地 满 足 施 工 工 期安 排 的时 间 ， 不 需 采 取分 批 张 拉 预 应 力 筋 及 预 压 主梁 的 措施 ， 也 可达 到控 制结 构上 拱度 的 目标 。 2 3 参考文献 周建 民 预应力混凝 土梁 上拱度 的预测及控 制 J 上海铁 道 大学学报 ， 1 9 9 7， 1 8 ( 4 ) ： 3 2 3 6 乌利茨基 混凝土的徐变 M 北京 ： 建工出版社 ， 1 9 5 9， l一 8 Ba z a n t Z P W i t t ma n n F H Cr e e p a n d s h r i nk a g e i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s M C h i e h e s t e r ： J o h n Wi l e y &S o n s ， 1 9 8 2 ， l 23 6 王 巍 ， 薛伟辰 高速客运专线轨道梁徐变变形研究发展 J 铁 道科学与工程学报 ， 2 0 0 5， 2 ( 4 ) ： 3 9， 4 3 邓运清 ， 盛黎 明 秦沈客运专线后张法 预应力混凝土简支 箱梁 设计 J 铁道标准设计 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 36 项 海 帆 高 等 桥梁 结 构 理 论 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 O o o J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设 计规 范 S J T G T F 5 0 2 0 1 1 ， 公路桥涵施工技术规范 S J T G B O 1 2 0 0 3 ， 公路工程技术标准 S J T G D 6 0 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 S i ； O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m