预制后张法预应力混凝土简支箱梁徐变上拱的观测与控制.pdf

第 3 8卷 第 7期 Vo 1 3 8 I J l7 预制后张法预应力混凝土简支箱梁徐变上拱的观测与控制 郭立强 (中铁 六局集 团丰桥公 司，北京 1 0 0 0 7 0) 摘要：结合现场工程实例，拟通过对箱梁的大量拱度变形观测，研究分析徐变形成的原因和过程，找 出徐变上拱的影响规律重点对影响箱梁徐变拱度的因索进行分析，提出合理的应对措施控制徐变上拱的影 响为箱梁施工预拱度的设置和控制提供参考依据。 关键词：箱梁；徐变；观测；拱度 中图分类号 ：U 2 4 6 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 6 9 1 7 8( 2 0 1 0 )0 7 0 0 2 3 0 4 1 概述 后补救所带来的不利影响。 预制后张法预应力混凝土简支箱梁的竖 向变形 ( 因只研究竖 向变形 ，因此 ，简称 “ 变形 ” ，以下 同)主要由4 个部分组成。一期恒载，即自重引起 的下挠度 ；预加应力 v 作用下引起 的上拱度 ； 混凝土徐变引起的上拱度 。二期恒载作用下引起 的下挠度 。因此 ，箱梁的总变形f = f y - f g 。 2 。 箱梁的变形对桥面结构产生影响 ，若徐变拱度 超出了结构高程可调节范围 ，将对桥面的平顺性产 生 巨大的危害 ，影响桥面结构的稳定性和运 营安 全。出于保证线路安全、减少养护维修工作量等方 面考虑 ，铺设 桥面前应 对箱梁的起拱变形进行观 测 、计算和评估 。 国内外对箱梁徐变变形进行 了大量 的试验研 究 。但 因混凝 土徐变产生 的原 因较为复杂 不易 精确地确 定徐变的大小 ，因此 很多研究理论和 方法往往很 复杂 ，仍需依靠实验 观测验证来进行 评估。 通过对现场预制箱梁大量的拱度变形观测与统 计，采取实验观测验证与理论研究、数值计算方法 相结合 的形式 ，对徐变形成 的原 因和过程进行 分 析，为完善我国箱梁预拱度设计提供参考，为确定 施工现场的上拱度控制对策提供依据。以期有效地 预防徐变对桥面的平顺性产生巨大的危害，保证工 程质量 ，使设计或施工单位在工程初始阶段 ，就能 充分考虑这些影响，提出合理的解决措施 ，减少事 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 5 1 7 作 者简 介：郭立强 ，T程师 2 混凝 土徐变变形的基本原理 混凝土的徐变是依赖于荷载且与时间密切相关 的一种非弹性性质的变形 ，它初始增长很快 ，以后 逐渐缓慢。 混凝土 在应力作用 的当时 ( 混凝 土龄期 为 Jr 天 )产生瞬时弹性应变 占 。随荷载作用时间的延 续 ( f ) ，徐变变形 s ( t ， )不断增长 ，经过一段 时间后卸载 ，即会产生的弹性恢复变形 ，以 后继续有徐变恢复又称 弹性后效 ( 迟后弹性变形 ) 发生 ，但仍有残留的永久变形 ，称流动变形 。混凝土徐变有利于结构构件产生 内应力重分 布，减小大体积混凝土内的温度应力。减少收缩裂 纹 ，但会使受弯构件变形增大 ，引起预应力损失 ， 在高应力长期作用下 ，甚至会导致构件破坏。 3 徐变上拱的实验观测 为铺设桥面前对箱梁的起拱变形进行评估提供 参考依据，保证线路的平顺性 ，在所施工的实例工 程 中，观测 了箱梁不 同时期的徐变上拱变形 。 3 1 徐变上拱观测实施方案 依据 G B 5 0 0 2 6 - - 2 0 0 7 工程测量规范 、G B 1 2 8 9 7 -2 0 0 6 国家一、二等水准测量规范等编 制了 徐变上拱观测实施方案 。 3 1 1 明确观测组织机构和观测梁数 对原材料变化不大、预制工艺稳定 、批量生产 的预应力混凝土预制箱梁 ，按照相关要求每 3 0孔 选择 1 孔进行徐变上拱观测 2 0 1 ( ) 7 J( 总第 2 8 5 1 9 j ) 2 3 质量检验 3 1 2 实验观测仪器 徐变观测选用德 国天宝 D i N i 0 3高精度精密数 字水准仪及铟瓦数码水准尺施测， 该仪器每公里水 准测量往返测高差中误差为 0 - 3 mm，完全可以达 到一 、二等精密水准测量的要求。在观测之前将水 准仪和水准尺送检定部门进行检定。 3 1 3 观测点的埋设 徐变观测测点布设在箱梁 的桥面表面的支点、 跨 中位置，离梁体纵向中心线 4 2 9 m梁体腹板处 分左右两列布置 ，每孔梁的测量点数量为 6个。测 点采用钢锚钉栽人桥面，锚钉为圆弧形 ，高出原始 桥面 3 m m 。每孔梁在钢锚钉埋设后经监理确认合 格后方可开始测量。桥面固定测点布置及埋设如图 1 所示 对应防护墙位置 小 里 程 端 对应防护墙位置 ( 1 )观测点布置 大 里 程 端 2 0mm钢筋钉顶磨圆 ( 2 )观测点埋设 图 1 观测点布置及埋设示意 3 1 4 徐变观测方法 、周期及频次 箱梁徐变观测水准路线按二等水准测量精度要 求形成闭合水准路线 ，观测点位布设及水准路线观 测示意图如图 2所示 ，其 中测点 3 1 2 4构成第 1 个闭合环，测点 3 4 6 5构成第 2 个闭合环 ，观 测时严格按照后一前一前一后顺序进行。 2 4 6 图 2水准路线观测示意 观测时间及频次要求：梁体徐变上拱观测需在 梁体施工完成后开始布置测点，并在预应力终张拉 前进行首次测量 ( 得到零测量数据) ，各 阶段观测 频次要满足表 1 要求 ，因天气或施工影响可适 当调 整观测时间。 24 表 1 箱梁梁体竖向变形观测频次 观测阶段 观测周期 预应力张拉期 间 终张拉前后各 1 次 ( 测弹性变形 ) 预应 力终张托 完成 桥 面 终张拉完成后第 l d 、3 d 、5 d 、7 d 结构铺设前 终张拉完后 1 3月 每 7 d为 1 个周期 桥梁附属设施安装 安装前 、后各 1 次 桥面结构铺设期间 铺设前后各 1 次 ( 期问每 7 d 1 次 ) 第 0 3 个 月，每 1 月 1次 桥面结构铺设完成后 第 4 1 2 个月 ，每 3月 1 次 第 l 3 2 4个月 每 6月 1 次 3 1 5 徐变观测注意事项 ( 1 )前后 视距 差 1 5 m，前 后视 距 累积 差 6 0 m，视线高度 t0 5 m。测站 限差 ：2次读数 差 0 4 mm，2次所测高差之差 o _ 6 m m。观测读数 和记录的数字取位：使用数字水准仪读记至0 0 1 m m。 ( 2 )观测时避免阳光直射 ，且在基本相 同的环 境和观测条件下工作。观测点要固定，所用仪器要 固定 ，观测人员要相对稳定 ，观测时的环境条件基 本一致 ，观测线路 、观测方法要 固定 ，尽量减少观 测误差的不确定性 ，确保得到合格的观测数据。 ( 3 )每次立尺前清理干净观测点边上杂物。测 量闭合差限差超限时必须重新测量。每次测量时记 录当时的环境温度及 日照情况。 3 2 观测数据分析 3 2 1 设计数据( 3 2 m箱梁 。二期恒载 1 4 0 k N m) ( 1 )扣除自重影响后预应力产生的上拱度设计 值 为 l 0 1 3 m m终张拉完成后梁体跨 中变形不宜 大于设计值的 1 O 5倍 ，即 1 0 6 4 mm。 ( 2 )3 2 m箱梁跨中徐变上拱名 f o r = 7 0 m m 。 ( 3 )预设反拱。理论计算跨中反拱度为 1 6 2 l a i n ， 实际施工 中预设 1 8 mm。 3 2 2 观测数据处理及成果提交 外业数据采集回来后及时提取至计算机 ，并按 相关格式要求进行数据处理。原始数据要真实可 靠，记录、计算符合相关测量规范，依据正确，严 谨有序。及时整理并分析数据 ，如发现数据异常则 必须重新测量 ，直至确认无误后保存数据并将每孔 梁的测量数据整理成独立档案。 提交的各种数据格式文件 ，包括原始数据观测 文件 ( * d a t 格式) 、电子水准测量记录手簿 ( ) 【 l s 格式) 、平差成果文件 、桥梁梁部徐变观测数据录 人表 ( 成果文件)等，纸质文档和电子文档同时提 交 铁道技术监督 3 8签 7 9 3 2 3 观测数据成果统计与分析 3 2 m箱梁上拱度观测统计数据见表 2 表 5 。 表 2 A工程制梁场 3 2m 箱梁上拱度观测统 计 1 B3 1 5 Z 一 0 7 6 5 1 5 8 5 4 1 8 1 0 5 8 3 2 3 2 B3 1 5 Z一 08 3 4 6 6 6 2 42 0 1 0 33 4 7 3 3 B3 1 5 Z 一 1 2 6 6 3 5 4 2 4 2 0 1 1 4 5 6 1 8 4 B3 1 5 Z一1 4 6 5 4 5 5 7 42 3 9 9 5 7 2 5 5 B 3 1 5 Q 一1 7 7 2 3 5 5 5 4 2 3 1 0 8 2 4 8 O 6 B3I 5 01 94 1 8 5 6 9 42 3 l 3 23 3 9 4 7 B 3 1 5 0 2 0 6 1 7 5 7 1 4 1 8 1 2 6 3 4 4 2 8 B31 5 Z一 23 8 1 6 5 5 9 42 0 1 2 0 9 4 7 7 9 B3 1 5 Z一 26 7 2 6 5 8 6 41 5 9 3 9 2 71 1 0 B 3 1 5 Z 一 2 8 0 2 9 5 9 7 4 1 5 1 1 6 2 3 8 4 1 1 B3 1 5 Z一2 81 5 6 6 0 9 41 4 1 0 8 5 2 3 9 1 2 B3 1 5 Z一2 8 2 2 8 6 0 5 42 4 l 2 43 3 1 5 1 2 B31 5 Z一 29 9 2 8 5 4 8 4 0 5 1 3 1 5 3 48 1 3 B 3 1 5 Z 一 3 6 4 5 3 5 5 3 4 1 8 l 1 2 7 3 1 2 1 5 B3 1 5 Z一 42 5 5 5 5 6 2 41 5 1 0 83 2 0 9 1 6 B 3 1 5 0 4 6 7 4 4 5 5 7 4 2 2 1 I O 8 3 7 8 1 7 B31 5 Z一 501 1 9 5 6 6 42 0 l 2 9 9 4 1 0 1 8 B3】 5 Z一 50 4 2l 5 6 2 41 5 1 3 5 7 2 5 7 1 9 B 3 1 5 Z 一 5 0 8 l 5 5 7 2 4 1 7 1 3 3 2 3 4 2 20 B31 5Z一 51 7 2 5 5 7 0 41 3 1 1 2 9 3 68 2I B 3 1 5 Z 一 5 2 8 2 4 5 6 7 4 1 5 1 2 4 0 5 3 7 2 2 B 3 1 5 Z 一 5 4 3 2 4 5 6 5 4 1 3 1 3 1 7 3 9 0 23 B31 5Z 一5 74 1 8 57 9 41 2 1 3 79 5 73 2 4 B 3 l 5 Z 一 6 0 0 1 9 5 7 8 4 1 5 1 3 8 8 5 5 1 平均 一 5 7 4 4 1 7 1 1 9 4 1 1 C31 5Z -OI l 2 C31 5 Z-O1 3 3 C31 5 Z一1 37 4 C3 I 5 Q一 1 8 3 5 C 3 1 5 Q 一1 8 4 6 C3 1 5 Z一2 4 2 7 C 3 I 5 Q一 3 0 2 8 C31 5 Z一3 3 7 9 C31 5 Z-3 5 2 l O C31 5 Z一3 63 l l C3 1 5 Z-3 8 7 56 6 5 6 7 5 6 7 5 6 4 5 60 5 6 2 5 5 9 5 6 7 5 7 0 5 6 9 5 7 6 3 7 6 3 7 7 3 9 9 3 8 2 3 7 5 3 9 8 3 6 9 39 7 39 3 3 9 5 39 l 1 2 40 1 2 59 l 3 87 l 1 04 l 1 81 】 0 36 1 1 24 1 0 51 11 0 2 1 3 76 1 2 7 2 2 41 3 O 3 7 3 7 445 3 5 8 3 0 1 5 4 0 3- 3 2 2 5 3 3 2 7 2 2 6 续 表 表 5 D工程制梁场 3 2i n箱梁上拱度观测统计 上述各表中未列出终张拉后各次徐变观测值 ， 仅列出了终张后 0 6 0 d累计徐变上拱 。由各表及 实验观测的各阶段成果统计分析可以看 出： ( 1 )弹性模量越低，徐变上拱越大；张拉时混 凝土的龄期越短 ，则徐变越大。 ( 2 )终张拉完成前后所测的弹性 E 拱接近理论值 1 0 1 3 m m，3 2 m梁弹性 匕 拱实测值平均约为 1 2 n l m 。 ( 3 )绝大部分 3 2 m梁终张后 6 0 d内累计徐变 上拱值小于限值 7 mm，平均约 4 5 m m。 ( 4 )徐变引发的上拱初期发展较快 ，二期恒载 作用后上拱明显有回落，但随时间发展后期变形仍 继续增长 ，但发展较为缓慢。 4 箱 梁徐变上拱 的影 晌因素 4 1 箱梁截面下缘的应力水平与恒活载应力幅 长期受压的混凝土的徐变变形与其应力大小有 直接关系 。一般认为 ，当应力 0 4 a时 ，产生非线性徐变 ，会导致变 形及上拱迅速增大。因此，箱梁在恒载作用下。其 截面下缘应力水平以及在使用阶段梁体的恒、活载 设计弯矩比值将直接影响着箱梁的徐变上拱。 4 2 混凝土配合 比的设计与原材料的选定 混凝土产生徐变的原因，一般认为是由于在长 期荷载作用下 ，水泥石 中的凝胶体产生粘性流动 向毛细管内迁移 ，或者凝胶体中的吸附水或结晶水 25 5 6 6 6 8 8 5 7 4 6 4 质量检验 预制后张法预晦几混凝上简支箱梁徐变 j 拱的观洲 控制 向内部毛细孔迁移渗透所致。 从水泥凝结硬化过程可知 ，随着水泥的逐渐水 化，新的凝胶体逐渐填充毛细孔，使毛细孔的相对 体积逐渐减小。在荷载初期或硬化初期，由于未填 满的毛细孔较多，凝胶体的迁移较容易，故徐变增 长较快。以后 由于内部移动和水化的进展 毛细孔 逐渐减小 ，徐变速度愈来愈慢。 由此 ，水灰比和水泥用量是影响徐变上拱的重 要原因。水灰比较小，同龄期的水泥石中未填满的孔 隙较少，故徐变较小。水灰比相同的混凝土水泥用 量愈多，即水泥石相对含量愈大，其徐变愈大。 骨料在混凝土中主要是对水泥浆体徐变起约束 作用，其程度取决于骨料的弹性模量和体积含量。 混凝土所用集料弹性模量较大、粗骨料用量大时。 徐变较小 。混凝土徐变还与集料级配 、粗骨料最大 粒径等因素有关 。 4 3 施加预应力时梁体的弹性模量 徐变与 昆 凝土的弹性模量有着密切关 系。根据 线性徐变理论 徐变上拱的大小与施加预应力时梁 体的弹性模量成反比，即弹性模量越大，引起的徐 变上拱越小。 4 4 混凝土的养护条件 混凝 土在 水 中养 护 时或梁 体存 放 于湿度 在 8 0 以上的环境 中时 ，水泥充分 水化 。毛细孔减 少 ，徐变减小 ，引起的拱度减小。 4 5 加载时混凝土的龄期 张拉时混凝土的龄期越短，则徐变越大。二期 恒载作用越早 ，则徐变越大。 4 6 截面尺寸 体积比表面积越大，则徐变越大。大体积混凝 土的徐变小。 5 箱梁徐变上拱的控制措施 ( 1 )在箱梁 的设计过程 中，保证梁体 的竖 向刚 度 ，以减小活载作用下的截面下缘拉应力值 ；通过 调整预应力筋的布置等措施减小恒载作用下和预加 应力作用下的截面上下缘应力的差值 ，使之尽量接 近从而减小梁体的徐变上拱。 ( 2 )配合 比设计时 ，掺 I级粉煤灰或磨细矿 粉 ，减少单方混凝 土水泥用量至 4 0 0 k g以下 ；掺 加高效减水剂 ，控制水胶 比不大于 0 3 5 ；降低砂 率 ，控制骨胶比提高骨料对水泥收缩的约束作 用；选择适宜的坍落度，满足验算时混凝土静压弹 26 性模量的参数要求 。 ( 3 )采用品质稳定的低碱硅酸盐或低碱普通硅 酸盐水泥。选用强度和弹性模量较高及空隙率、吸 水性 、压缩性较小 的坚硬骨料 ，依次优选玄武岩 、 石英岩、花岗岩、石灰岩，避免使用碎砂岩。 ( 4 )混凝土搅拌要均匀 ，振捣要密实 ，尤其是 下缘混凝土 ，以降低差异 ，减小孑 L 隙。 ( 5 )严格按设计规定 的方式张拉 ，严禁超 张 拉 。严格控制张拉 时混凝土弹性模 量 、强度 和龄 期。施工 中不得随意变更张拉次序，终张拉龄期不 宜早 于 1 0 d ，终张拉 完毕 后应及 时 压浆 ( 宜在 4 8 h内) 。 ( 6 )桥面结构铺设宜在终张拉 6 0 d 后进行。 ( 7 )注意出梁后的 自然养护 ，养生期内保证混 凝土处于潮湿状态 ，延长湿润养护的时间。梁体存 放期 内保持 8 0 以上 的湿度环境。避免或减少 日照， 尤其是单侧的日照，以降低梁体内的温度应 力 6 结论 ( 1 )徐变引起的上拱变形是不容忽视的，应采 取合理的相应措施 ，使箱梁徐变上拱值满足设计相 关要求 保证线路的平顺与稳定 ，保障行车的安全 与舒适。 ( 2 )3 2 m箱梁弹性上拱值平均约 1 2 mm，其 6 0 d内累计徐变上拱值平均约 4 5 m m。对于 3 2 m 箱梁台座，预设反拱值 1 8 m m是适宜的。 ( 3 )箱梁的徐变上拱与下缘的应力状态 、水灰 比、水泥用量 、骨料弹性模量及用量 、骨料级配 、 砂率、终张拉时混凝土弹性模量与龄期 、混凝土养 护条件、桥面结构铺设时混凝土龄期等密切相关。 因此 。对于原材料变化不大、预制工艺稳定 、批量 生产的预应力混凝土梁 ，徐变上拱主要与荷载和时 间相关。 ( 4 )施工 中，选取适宜的配合比，选择较好的 原材料，规范各道工序施工，严格按工艺要求保持 稳定均匀的生产水平 ，对于控制箱梁徐变上拱以及 通过评估和采取应对措施来减小徐变上拱的影响， 起到十分重要的作用 。 参考文献 1 G B 5 0 0 2 6 - - 2 0 0 7 1 -_ 程测量规范 S 2 G B 1 2 8 9 7 - 2 0 0 6国家一 、二等水准测量规范 S