新規(guī)范下大跨連續(xù)剛構橋長期撓度計算的反思

1、新規(guī)下大跨連續(xù)剛構橋長期撓度計算的反思摘 要：提高對混凝土收縮徐變的長期預測精度，是大跨度橋梁設計中要解 決的一個關鍵冋題。考慮新規(guī)中可變作用準永久值的影響，分三個階段對大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋的徐變變形進行理論分析，探討預測大跨度連續(xù)剛構橋長期撓度的方法，為此類橋梁的長期撓度預測與改良設計方面提供依據(jù)。關鍵詞：橋梁工程；準永久值；分階段；連續(xù)剛構；徐變變形；長期撓度預 測0前言現(xiàn)有大跨度連續(xù)剛構橋跨中下?lián)线^大已成為一種普遍的現(xiàn)象，尤其后期變形繼續(xù)加大的問題出乎設計預測之外， 這也是廣闊工程師們十分頭疼的問題。 究其 原因主要是對混凝土收縮徐變的影響程度與長期性嚴重估計缺乏。預應力混凝土連

2、續(xù)剛構橋由于混凝土的固有性能收縮徐變的影響，必然會造成橋梁結(jié)構的幾何線型和力狀態(tài)隨時間而發(fā)生變化，某建于1997年的主跨270m連續(xù)剛構橋，至2003 年12月，實測下?lián)狭?22 cm；某主跨245m的一座同類結(jié)構的大橋，跨中也嚴重 下?lián)?，最大達32 cm。許多大跨度橋梁都有類似的現(xiàn)象，這會使橋梁運營期出現(xiàn) 不良線型而引起乘客的不舒適感，甚至危與高速行車時的平安。文獻對主跨270m的連續(xù)剛構橋進行了連續(xù)7年的長期觀測，結(jié)果是其主跨 跨中撓度因混凝土徐變、收縮等因素逐年增長，而且尚未停止。因此提高混凝土 收縮徐變的長期預測精度對連續(xù)剛構橋長期變形的分析和控制具有非常重要的 現(xiàn)實意義。本文的分析方

3、法可對該類型橋的使用狀況有一個直觀的認識，探索出一個較準確預測大跨度連續(xù)剛構橋長期撓度的方法，為此類橋梁的長期撓度預測 與改良設計方面提供依據(jù)。1預測長期撓度的方法徐變變形預測的傳統(tǒng)方法僅考慮一、二期恒載的長期作用，實踐證明，該方 法對混凝土收縮徐變的影響程度與長期性估計缺乏，即目前對徐變變形還難于從理論上給出非常準確的預測，因此對實橋進行撓度觀測和理論計算研究就顯得非常重要。新規(guī)2采用以概率理論為根底的極限狀態(tài)法，以大量調(diào)查實測資料和試驗數(shù)據(jù)為根底，運用1統(tǒng)計數(shù)學的方法，尋求各隨機變量的統(tǒng)計規(guī)律，規(guī)定在長期效應組合中應考慮可變作用準永久值的影響，使結(jié)構設計更符合客觀實際。本文擬用文獻提供的某

4、主跨270m連續(xù)剛構橋撓度長期觀 測的實測數(shù)據(jù)，考慮新規(guī)中的準永久值來對理論徐變計算值進行驗證，并通過有限元分析，最終對成橋后的長期徐變變形給出較準確的預測。由于橋梁結(jié)構在營運狀態(tài)下的應力一般不會很大 一般，可以應用混凝土的 線性徐變理論，分批施加應力所產(chǎn)生的應變滿足疊加原理。故本文分如下三個階 段對實橋的徐變變形進行分析：第一階段是在主體結(jié)構施工完成后但尚未進行二 期恒載施工的間隙時間；第二階段是二期恒載施工完成后但尚未通車的傳統(tǒng)長期 徐變撓度預測方法；第三階段是考慮準永久值后運營期的長期撓度預測。2橋例分析2.1工程簡介某主跨270m的雙壁墩預應力混凝土連續(xù)剛構橋，跨徑布置為 150m+2

5、70m+15Qm主梁采用變截面箱形形式，橋?qū)?31 m分上下平行的2個單獨 橋方案，單橋?qū)?5m上部構造采用懸臂澆筑的施工方法，其撓度長期觀測數(shù)據(jù) 如表1所示只列出一幅橋左線橋的主跨跨中撓度的數(shù)據(jù)進行分析。表1主跨跨中累計撓度實測數(shù)據(jù)1997-1998 -1999-2000-2000-2001 -2002 -2003-年月1205030111121212撓度眄00.6360.3196.83137.69161.92179.6207.492.2計算分析本文使用大型通用有限元程序ANSY對該橋的徐變變形與其隨時間的開展規(guī) 律進行3維有限元分析。利用ANSYS勺用戶程序特性UPFS進行2次開發(fā)，嵌 入

6、新規(guī)中混凝土的徐變公式，混凝土的收縮按降溫法等效考慮，利用ANSYS中單 元的生死功能模擬施工過程。建模時混凝土局部采用solid95實體單元；預應力 鋼筋采用link8單元，ANSY防考慮預應力的方法有很多種，如等效荷載法、初 始應變法、降溫法，本文采用初始應變法，將混凝土和預應力筋沿橋梁縱向劃分 為假設干單元，可以實現(xiàn)混凝土與預應力鋼筋共同工作， 通過每個單元不同的實常 數(shù)模擬力筋各處不同的應力，可以模擬應力損失的影響。但是該模型未考慮灌漿 過程，即對于力筋的滑動問題，實橋采用后法施工，在拉過程中，力筋與混凝土 之間沒有粘結(jié)，存在接觸與滑動，同時該階段應按凈截面計算應力，在拉完畢灌 漿后混

7、凝土與力筋建立了粘結(jié)，實際上該簡化對計算結(jié)果影響非常小。 其有限元 模型見圖1所示，該橋是按全預應力進行設計，因為現(xiàn)關心的是徐變變形，以下 計算僅給出徐變變形的計算結(jié)果，最后再與實測結(jié)果進行比照分析。第一階段主體結(jié)構合攏后但尚未進行二期恒載施工的徐變變形表2為橋梁主體結(jié)構合攏后隨齡期而增長的徐變變形值，可以看出：徐變引起主梁上拱負合攏后的天數(shù)dT02030405060中孔跨中豎向變位mr2.74 -4.58-6.57-8.71-10.71-12.28值，中孔跨中的徐變上拱變形均隨時間而增長。表2橋梁主體結(jié)構合攏后隨齡期而增長的徐變變形值以上結(jié)果說明：在一期恒載作用下的徐變變形隨時間上撓，這對于

8、后期的徐 變變形是有利的，因此，盡量推遲二期恒載的施工時間能夠減小后期的徐變變形。 但是，在實際工程中往往工期比擬緊，混凝土強度上來之后便立即施工二期恒載， 下面假設二期恒載的施工周期為 40天。222第二階段二期恒載施工完成后的長期徐變變形全橋合攏后，二期荷載的長期效應組合的一局部進行正常使用極限狀態(tài)設計,據(jù)此對考慮準永久值后的長施工周期為40天，此時二期載施工完成后的跨中長期徐變撓度隨時間的計算結(jié) 果如表3所示?？梢钥闯觯弧⒍诤爿d共同作用下的長期徐變變形是下?lián)系模?并且下?lián)现惦S時間的增長而增長，到300天根本到達徐變半終值，1800天后根本 趨于穩(wěn)定。表3二階段徐變撓度隨時間的計算結(jié)果

9、/伽持荷時間d150450750105014401800 |2160跨中豎向變位34.72 !53.66 618.3673.3477.6679.7181.65二：表中持荷時間指二期恒載施丄完成后開卜始的。運營階段考慮準永久值以后的長期撓度預測 預測的方法僅考慮一、二期恒載與預應力效應；新規(guī)按舊規(guī)的傳統(tǒng)長期徐變撓度2將可變作用準永久值作為期撓度作如下分析:表4三階段考慮準永久值后的徐變撓度隨時間的計算結(jié)果/伽持荷時間d1504507501050144018002160中孔跨中豎向變位58.4997.74130.02158.19 163.60 168.44 172.87注：表中持荷時間指二期施工完

10、成后開始的按實際工程中二期恒載的施工周期 40天，二期恒載施工完成后即通車，分 析結(jié)果如表4所示，由表可以看出，第三階段的徐變變形也是下?lián)系?，并且其?撓值隨時間的增長而增長，計算值也比第二階段大得多，更接近于實測值。3理論分析上述第二、三階段的長期撓度計算值與實測值的比照見圖2所示注：橫坐標中的天數(shù)是根據(jù)實測值年限換算得到的。圖2第二、三階段長期徐變撓度計算值與實測值的比照三個階段的理論計算結(jié)果和實測值比照分析說明： 第二階段的理論值與撓度實測值有較大的差距，兩者之間的差值在 40流右，最大達61%考慮準永久值 影響的第三階段理論計算值與實測值相差不大，預測7年的徐變變形差值僅為16.7%。

11、因此應用三階段進行分析和推算橋梁營運期的長期徐變變形的方法是可 取的。但是，第三階段5年后的長期預測撓度值與實測值仍存在一定的偏差，筆者分析認為，其主要原因是鋼筋混凝土與預應力混凝土橋梁結(jié)構除了承受恒載作用 外，還要承受循環(huán)荷載(短期效應組合中的可變作用頻遇值)的作用，使得混凝 土結(jié)構的疲勞在長期性能分析方面成為不可無視的問題，和E.Ardaman4進行了 8片預應力鋼筋混凝土梁的疲勞試驗， 結(jié)果說明：在疲勞加載 的前期，梁的變形很小，在加載后期，梁的撓度有顯著的增大，這也同時驗證了 上述理論分析的正確性；另外，由于雙薄壁墩連續(xù)剛構橋主墩的受力特點(墩頂、底彎矩大；邊墩外兩片墩身的軸力差大；整

12、個結(jié)構受溫度影響大)使兩片墩的變 形不同，這也可能是主梁后期豎向撓度增大的一個因素。但是目前上述因素對長期徐變變形影響的定量計算尚未提出，為此，筆者建議，使用階段的長期撓度預 測，應按三階段分析的結(jié)果，考慮混凝土結(jié)構的疲勞與溫度長期效應的影響，在 5年后乘以1.151.25的長期增長系數(shù)更符合客觀實際情況。對一主跨130 m的預應力混凝土連續(xù)剛構實橋(省紅嶺河高架橋)進行了三 階段分析，該橋墩柱采用雙薄壁式柔性墩，最大墩高45m預測的長期徐變撓度乘以1.2倍的長期增長系數(shù)后值為4.23 cm,并按此設置了 5 cm的預拱度。4結(jié)語通過以上分析得出如下結(jié)論：(1) 施工期允許的情況下，盡量推遲二期恒載的施工時間，對減少長期徐變 變形是有利的。(2) 分析和推算橋梁的長期徐變變形應考慮新規(guī)中準永久值的影響。(3) 綜合考慮混凝土疲勞與溫度長期效應的影響，按上述三階段預測的結(jié) 果，在5年后乘以1.151.25的長期增長系數(shù)更符合客觀實際情況。參考文獻：1 志平，朱桂新，衛(wèi).預應力混凝土連續(xù)剛構橋撓度長期觀測J.公路