混凝土连续梁长期徐变挠度的控制措施.pdf

浙江建筑 ， 第 2 8卷 ， 第 9期 ， 2 0 1 1年 9月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，V o 1 2 8 ， N o 9， S e p 2 0 1 1 混凝 土连续梁长期徐 变挠 度 的控 制措施 On L o n g Te r m Cr e e p De f l e c t i o n Co n t r o l o f Co n t i n u o u s Co n c r e t e Be a m 周振华 ， 彭延洋 ， 饶幸福 Z H O U Z h e n - h u a ， P E N G Y a n y a n g ， R A O X i n g - f u ( 1 江西省嘉和工程咨询监理有 限公 司， 江西 南 昌 3 3 0 0 4 6 ； 2 江西赣粤高速公路股份有限公 司， 江西 南昌 3 3 0 0 2 5 ) 摘要： 连续粱桥 在公 路建设 中大量采用 ， 但是不少大跨径梁桥通车后出现持续下挠的现象 ， 箱梁腹 板有大量斜 裂缝 ， 在此 结 合工程实例 ， 从结构原理 角度 分析 下挠成 因， 并提出相应控制措施。 关键词 ： 连续粱 ； 跨 中下挠 ； 体外预应力 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 7 文献标识 码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 0 9 0 4 预应力混凝土连续梁桥在2 o 世纪 7 0年代引进我国 以来， 由于结构刚度好、 行车平顺舒适、 伸缩缝少、 养护简 单、 抗震能力强等优点， 已成为我国桥梁首选形式之一。 但是 ， 近十多年来 ， 我 国不少大跨径梁桥通车后 出现持续 下挠 的现象 。三门峡黄河公 路大桥 主桥 ( 1 0 5 m + 4 1 4 0 m +1 0 5 m) 跨 中 区 域 下 挠 最 大 达 到 2 2 c m， 并发现箱梁腹板 有大量斜裂缝 ， 其 中缝 宽在 0 3 m m以上的 1 3 9条 ， 0 5 m m以上的 4 8条 ， 1 0 m m 以上的 l 0条 ， 大部分斜 裂缝 与主拉应力方 向一致 ； 山东台儿庄大桥( 4 6 m+ 8 0 m+ 4 6 m) 在 1 9 9 5年发现中 跨 1 4和边跨 1 2 处腹板与水平呈 2 5 。 一 5 0 。 的斜裂缝 ， 箱内不连续裂缝长达6 0 m， 最大宽度达0 5 9 5 m m； 东明 黄河大桥( 7 5 m+ 7 1 2 0 m+ 7 5 m) 在 1 9 9 7年共发现 2 7 2 条裂缝 ， 其 中东侧 9 2条 ， 西侧 1 8 0条 ， 最长4m， 最宽 1 8 m m。 公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵 设计规范( J r I G D 6 2 - 2 0 0 4 ) 第 6 5 3条规定“ 在消除结 构 自重产生的长期挠度后， 梁式桥跨中最大挠度不应 超过 L 6 0 0 ” ， 但调查表明不少桥梁跨 中下挠厂在 L 1 2 0 0 时已出现了下缘裂缝。 1 成 因分析 混凝土连续梁跨中持续下挠以及腹板开裂是一 个十分复杂的问题 ， 影响因素也很多， 如何控制腹板 开裂和跨中长期下挠已是当前我国预应力混凝土连 续梁( 刚构 ) 桥亟待解决 的难题 ， 下面从结构原理 出 发来探索持续下挠的成 因及其控制措施。 徐变挠度计算公式为 ： = 1+ 咖( t ， t 。 ) ( 1 ) 式 中 一 时 间 t 的挠 度 ； f 一计算所需龄期 ； 一 加载龄期 ； 厂 0 一初始弹性挠度( 自重 +预应力 ) 。 徐变系数计算公式为 ： ( t ， t 0 ) =tp 0 卢 ( t t 0 ) ( 2 ) 式中： tp 。 一 名义徐变系数 ， 约在 1 83 5范围； 卢 。 一 加 载后 徐 变随 时间 发展 的系 数 。 初始挠度公式为 ： f o= 百M , Md s ( 3 ) 式 中： = 悬臂自 重弯矩( ) 一E 缘预应力弯矩( Mr ) ； 一 单位垂直力作用 在跨 中所产生 的悬臂梁 弯 矩 ； E 一箱梁弹性模量 ； 卜 箱梁惯性矩 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4一O 1 作者简介 ： 周振华 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 。 江西上饶人 ， 助理工程师 ， 从事高速公路桥梁工程施工管理工作 。 1 O 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8卷 由以上 公 式 可 见 ， 混凝 土徐 变 挠度 取 决 于 徐变 系数 与初始挠度 的大小 ， 而徐变作为混凝土的 固有特性 ， 是不可消除的。因此 ， 控制混凝土徐变挠 度只能通过控 制 的大小来实现 。徐变挠度 与 初始挠度 成正 比， 而 又与弯矩 成正 比。随 着跨径的增大 ， 和 都急剧增加。因此只要通过 预应力设计手段 减少 了 ， 也就减 少 了初始 挠度 ，就从 根本 上减 少 了徐 变挠 度 ， 这 就是 控 制 持 续 下 挠 的基本 结构 原理 。 预拱度法是 目前最 常用 的消除初始挠度 ( ， 0+ ) 下挠的方法。即将 梁的下挠值 厂反方 向加在 箱 梁上 ， 使梁面有一个抬高量 艿 ， 这个预抬高称“ 安装 标高” 。应当特别指 出， 设 置“ 预拱度 ” 方法虽 能够 使跨 中标高符合设计要求 ， 但它并不能改变结构 的 受力状况及其初始状态 ， 所 以运营若干年后 ， 梁桥随 着混凝土徐变的产生， 在跨中必定发生持续的徐 变 挠度 。因此应当抓住这个 问题的根源来设计预应 力 ， 以消除结构_的不平衡 内力 的手段来减少每一个 阶段 的初 始挠 度 ， 达到 控制 长期 挠度 的 目的 。 2 控制措施 根据上述分析， 本文尝试用体外索方法来解决 预应力混凝土梁桥长期下挠问题 。无粘结体外预应 力用于混凝 土桥梁开始时 ， 防腐措施不完善 ， 腐蚀 和 氢脆事故时有发生 ， 严重妨碍了它的发展 ， 随着科学 技术的 日新月异 ， 预应 力筋 的各种防腐措施渐趋完 善 ， 其使用的安全和耐久性也得到 了保证。而体外 预应力因预应力钢 索及 其管道全部布 置在构件体 外 ， 可以使构件腹板、 顶底板的尺寸减小 ， 混凝土 的 用量减小 ， 构件的 自重减轻 ， 钢索的更换和维修 比较 容易 ， 方便施工 ， 近年来得到充分发展 。 除梁体 内配置必要的普通构造钢筋外 ， 全部预 应力钢索全跨连续地布置在结构混凝土体外。每根 钢索穿过主梁的全长从墩到墩钢索在跨 中段平行于 梁轴 ， 靠近支座逐渐弯起并锚 固于支座处的横 隔板 上。钢索跨度转向可利用横隔板， 底板及梗肋或专 门设置突出的钢筋混凝土转向块。 用于悬臂法施工的桥梁全部为分散的外索方式， 其预应力索不是等长的， 其长度由主梁的分段浇筑或 悬拼的长度而定。体外预应力索设在梁体混凝土外 部 ， 并锚固于梁端的肋板侧面伸出的突缘上。这种形 式运用于分段施工的桥梁( 包括采用顶推法施工的桥 梁) ， 并使体外预应力技术的应用范围进一步扩大。 体内、 体外预应力钢索混合布置的方式用于分段 架设时承受梁体 自重和施工荷载引起的内力。待全桥 架通后再用贯通各跨的体外预应力钢索承受二期恒载 及活载引起的内力。根据工程实践混合配筋方式可以 用于任何施工方法来修建大跨度预应力混凝土结构。 某 特大 桥 全 长 1 2 0 8 m， 全 桥 由 主桥 和 引 桥 两 部 分组成 ， 见图 1 。由北到南桥面纵坡为 1 9 ， 纵坡交 点 在 主 桥 中心 设 置 一 条 凸 曲线 过 渡 ， R= 1 2 0 0 0 IT I 。 设计横断面为双幅单箱单室双向四车道。设计荷载 为公路 I 级。其 主孔跨 径布置为一联 ( 4 5 m +3 x 7 0 m+ 4 5 m) 。主桥箱 梁采用 C 6 0混凝土 ， 主墩墩 身 、 钢筋 混 凝 土 盖 梁 、 实 心 墩 采 用 C 3 0混 凝 土 。主 梁 采用 8套 挂篮 、 4个桥 墩 同 时悬 臂 现 浇对 称 施 工 ， 按照从边跨向中跨合拢的施工方法进行结构体系转 换。箱梁采用单箱单室直腹板断面， 顶板宽1 3 5 m， 底宽6 5 m， 顶板悬臂长3 5 m， 悬臂端部厚2 0 c m， 悬 臂根部厚5 5 C lT I 。跨 中顶板厚2 6 c m， 底板厚 度从跨 中由2 6 e m变化至支座6 6 e m， 腹板从跨 中至支座处 按线性由4 0 e m变化至6 0 c ln ， 梁高3 8 m。箱梁外形 是 等截面， 但箱内是变厚 的， 这样外模相同 ， 方便施 工 。预应 力采 用 1 5 2 4钢 绞 线 ， 预 应 力 布 置 见 图 2、 图 3 = 】 2 0 0 0m T 2 2 8 1 1 1 E 2 1 6 6m 图 1某连续梁桥型 图 图 2预应 力布置断面图 第 9期 周振华等 ： 混凝土连续梁长期徐变挠度的控制措施 Z lo 一 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 2 0 o o 箜 ( ( ( 【 图 3预应力布置立面 图 采用桥梁博士 3 0软件 ， 建立平面杆系结构模 型， 将主梁模拟为平面梁单元 ， 边界条件通过约束节 点的 自由度来模拟 ， 梁与墩的连接处则通过节点的主 从关系来模拟。计算模型见图 4 ， 全桥共 1 1 8 个单元。 其中 1 1 0 2为主梁单元 ， 1 0 31 1 8为墩柱单元。 图 4计算模型 根据桥梁博士软件计算结果 ， 该大桥 1 0年后混凝 土徐变最大挠度为1 1 2 e m， 见图 5 。为控制徐变挠度 ， 先在梁内预留一定数量的体外索 ， 使预留体外索产生 的挠度刚好抵消混凝土徐变的下挠值。在主梁运营若 干年后， 再张拉体外索来实现徐变挠度的控制。本文 分别配制 2 2 5 1 5 2 4 、 2 3 1 1 5 2 4 、 2 3 7 1 5 2 4 体外索， 对这三种情况进行对 比分析， 从中找到合适的 索力 以解决混凝土长期下挠问题 。见图 6 、 图 7 。 一 ： 一 l 2 图 5混凝土徐变挠度 ( 1 0年 ) 曲线 图 1 1 。 2 曩 2 、 ； 蠢 0 兰 图 6体外 索挠 度 曲线图 ： 人 图 7 加体外 索混凝土徐变总挠度 曲线 图 当配置 ( 22 5 1 5 2 4 ) 体外索 时， 它产生的跨 中挠度为6 8 m m， 1 0年后跨 中总挠度为4 3 mm； 当 配置 ( 23 1 1 5 2 4 ) 体外索时 ， 它产生 的跨 中挠度 为8 5 mm， 1 0年后跨 中总挠度为3 4 m m； 当配置 ( 2 3 7 1 5 2 4) 体 外 索 时 ， 它产 生 的跨 中挠 度 为 1 0 m m， 1 0年后跨 中总挠度为2 9 m m。 m - _ 1 2 浙江建筑 2 0 1 1年第 2 8卷 由以上三种情况计算结果可知， 当体外索配置为( 2 3 7 1 5 2 4 )时， 1 0年 后 徐 变 挠 度 下 挠 量 最 小 ( 2 9 n l l n ) ， 所以推荐体外索采用 2 x 3 7 1 5 24 钢绞线。 3 结 语 大跨径连续梁桥通车若干年后 出现跨中持续下 挠是桥梁运营中的普遍现象， 本文从混凝土梁桥结 构原理角度分析了混凝土梁下挠 的原因 ， 提 出采用 体外预应力手段来控制 的措施 ， 电算程序计算结果 验证了措施是有效的。 参 考 文 献 1 周履 无粘结力筋与 体外力 筋预应力 混凝 土桥梁 的发展 历 程与现状 J 桥梁建设 ， 1 9 9 7 ( 3 ) ： 11 1 ( 上 接 第 8页) 变化和周期性变化产生误差 的数值相当小 ， 可以忽 略不计 ， 应该说此赤纬角计算公式 的计算结果较 为 精确 ， 可以满足建筑 日照的精度要求。因此， 建议 日 照分析软件中关于太阳位置的赤纬角计算应采用此 公式来进行计算。 3 结 语 建筑设计资料集 ( 第二版 ) 从 1 9 8 7年开始修 订， 历时八载完成 ， 较为系统 、 全 面地 涵盖了建筑设 计 工作 的各 项专业 知识 ， 其 中有关太 阳位 置 的计 算公式 ， 是 鉴 于当时正 从手工 计算 向计算 机技 术 转 型时期的近似公式 ， 计算公式较 为简便 ， 收集 的 是 1 9 8 7年 前 后 的 有关 数 据 。因此 ， 从客 观上 分析 ， 建筑设计 资料 集 中的太 阳赤纬角计算公式精 确 度的不足有其历史 的局 限性 ， 利用历年 的 中国天 文年历 中的数据 ， 能方便地检验 出其存在的差异 。 在 目前计算机高速发展 的时代 ， 应该采用更为科 学 和合理的计算公式 ， 提高建筑 日照计算 的正确性 ， 更 好 地 为规 划设 计 和管理 服务 。 参 考 文 献 1 建筑设 计资料 集 编 委会 建筑设计 资料集 M 2版 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 4 ： 1 7 91 8 5 2 中国科学院紫金 山天文 台 中国天 文年历 M 北 京 ： 科 学出 版社 ， 2 0 0 7： 3 09 5 3 王炳 忠 太 阳辐 射计 算讲 座 第一 讲 太 阳能 中天 文 参数 计 算 J 太阳能 ， 1 9 9 2 ( 2 ) ： 8一l O