施工周期對連續剛構橋服役線形的影響分析

摘 要：以160m跨預應力混凝土連續剛構橋為例，分析階段施工周期對混凝土徐變系數的影響及徐變系數對預應力損失和橋梁服役期線形的影響。結果表明：縮短施工周期混凝土結構橋梁徐變影響明顯，增大連續剛構橋服役期跨中下撓。

關鍵字：連續剛構橋；階段施工周期；預應力損失；長期下撓

中圖分類號：U448.35；U442 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0111-03

Effect of Stage Construction Period on Servicr Alignment

of Continuous Rigid Frame Bridge

DU Xiaodan1 LI Hua 2，3 LI Pengli1

（1. Henan charge and loan repayment Highway Management Co.， Ltd. Luoyang branch， Luoyang Henan 471000；2.Road and Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Research and Development Center of Transportation Industry，Zhengzhou Henan 450015；3.Henan Transportation Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： Taking the 160 meter span prestressed concrete continuous rigid frame bridge as an example， this paper analyzed the influence of the construction period on the creep coefficient of concrete and the influence of creep coefficient on the prestress loss and the alignment of the bridge. The results showed that shortening the construction period of concrete structure bridge creep effect was obvious， increase the continuous rigid frame bridge during the service span.

Keywords： continuous rigid frame bridge；tension age； prestress loss；deflection

1 研究背景

預應力混凝土連續剛構橋因其良好的結構性和經濟性，被廣泛應用于山區高速公路中，但在運營過程中，此類橋梁普遍出現了跨中后期持續下撓問題，部分預應力混凝土連續剛構橋在通車六七年后跨中最大下撓達20～30cm，已遠遠超過設計預測范圍。目前的研究主要集中在：①長期下撓影響因素分析，主要采用有限元計算方法分析收縮徐變、預應力損失、混凝土超重、橋面鋪裝及剛度降低等因素對長期下撓的影響[1-4]；②跨中下撓監測及損傷評估，通過長期監測數據對連續剛構橋的跨中下撓進行預測，對橋梁當前狀況進行評估[5-7]；③長期下撓預防及加固對策[8，9]。

連續剛構橋一般采用懸臂澆筑的施工方式。在施工過程中，各種不確定因素會造成趕工現象，這在增大施工風險的同時，也對橋梁長期服役性能造成不利影響。本文在已有研究的基礎上，分析施工周期對長期下撓的影響。

2 工程概況及有限元模型

某預應力混凝土連續剛構橋，跨徑組合85m+160m+85m，跨中截面高4.0m，墩頂截面高12.0m，箱梁截面高度、腹板厚度從墩頂到跨中按1.6次拋物線變化，箱梁采用C55混凝土。下部結構為薄壁空心墩，墩高120m，采用C40混凝土。橋梁結構尺寸如圖1所示。

該橋采用懸臂澆筑施工法：下構施工完成后，在墩頂設立支架澆筑0號節段，然后向兩側對稱懸臂澆筑，形成單“T”，先合龍邊跨，再合龍中跨。段劃分如圖2所示，其中0號節段長6.5m，單個T構懸臂澆筑21節段、邊跨現澆段長4.0m，在橋臺旁搭設支架現澆施工，合龍段長2m。

本文采用Midas/Civil建立施工過程分析模型，主梁和橋墩采用梁單元模擬，模型共劃分為280個單元、283個節點，如圖3所示。在施工過程中，梁底部有支架的臨時支撐作用，對支架采用只受壓彈性連接模擬，支架底部采用固結。

3 施工周期對橋梁線形影響

懸臂澆筑每個施工階段一般包括立模、澆筑、張拉預應力鋼筋、掛籃前移等工序，正常狀態下，每個階段的施工周期一般在7～10d。為了保證施工質量，設計時對預應力張拉時間有明確規定：混凝土強度達設計強度等級值的85%且混凝土齡期不少于5d。但在實際施工過程中，受各種不利因素的影響，每個階段的施工時間與設計要求也不相同，給施工質量控制造成不利影響。懸臂澆筑前期，施工人員、機械、施工組織還處于磨合階段，因此，施工進度相對滯后，而這會造成懸臂澆筑中后期出現趕工的情況。在懸臂澆筑工期縮短的情況下，鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預應力鋼筋張拉等施工工序的時間基本不可壓縮，只能通過改善混凝土養生方法，如蒸汽養生，來加快混凝土強度增長，減少混凝土的養護時間，以縮短工期。施工工期的縮短將對混凝土橋梁結構產生不利影響，表現在混凝土強度和彈性模量隨齡期的增加而增長，早期加載可能會導致混凝土后期徐變變大，尤其是大跨度箱梁與連續剛構橋在建成若干年后會產生相對較大的變形和下撓。

3.1 早期加載對混凝土徐變的影響

混凝土徐變與相對空氣濕度、環境溫度、混凝土骨料和強度等級、混凝土齡期及構件的厚度等因素有關。其中，混凝土齡期對徐變的影響非常大，加載齡期越長，徐變變形越小。我國現行規范JTG D62—2004中通過徐變系數來考慮對徐變的影響。本文分別計算3d齡期和7d齡期加載時的徐變系數，徐變系數-時間曲線如圖4所示。

從圖4可知，3d和7d齡期加載時徐變系數終值分別為2.16和1.84，即階段施工周期與混凝土徐變系數之間呈負相關關系。這是因為在混凝土結構養護周期內，其彈性模量增長會滯后于強度增長，而張拉控制因素是混凝土強度，當強度達到張拉要求后，而混凝土的彈性模量并未達到張拉要求，過早張拉會造成混凝土內部的部分損傷。彈性模量是影響橋梁變形的主要因素，過早張拉將導致由混凝土徐變效應增大，對成橋服役期間線形控制不利。

3.2 徐變對結構預應力損失的影響

徐變是造成預應力損失的原因之一，徐變系數越大，后期的徐變變形也就越大，造成的預應力損失也相應變大。根據3d齡期和7d齡期的徐變系數，分別計算腹板束（W16）、頂板束（W16）、邊跨頂板束（W16）、邊跨底板束（W16）、中跨頂板束（W16）、中跨底板束（W16）在運營20年的預應力損失狀況，結果見表1。

從表1可知：①早期加載時預應力損失明顯增大，相比7d齡期張拉，3d齡期張拉時由徐變造成的預應力損失增大在21.2%～25%之間；②3d齡期張拉會造成預應力損失增加2%左右。因此，在橋梁預應力張拉時間上，要嚴格按照混凝土強度、彈性模量及最少養護天數進行控制，以有效減少后期預應力損失。

3.3 預應力損失對橋梁服役期線形的影響

過大的預應力損失將導致預應力有效應力降低而無法抵消外荷載產生的變形，從而使梁體易開裂，隨著時間的推移，混凝土徐變進一步增大預應力損失，從而導致橋梁長期撓度加大。在此以160m跨徑預應力混凝土連續剛構橋為例，假設全部預應力鋼筋損失為5%、10%和15%，對比運營5～20年后相對成橋時跨中撓度的變化，如圖5所示。

從圖5可以看出，跨中撓度隨運營時間的增加而不斷增長，早期發展較快。在無預應力損失的情況下，運營20年跨徑累計下撓約18mm。預應力損失對橋梁長期下撓有明顯影響，預應力分別損失5%、10%和15%的情況下，運營20年累計撓度分別是23.775mm、29.779mm和35.858mm，分別是無預應力損失情況下的1.33倍、1.668倍和2.0倍。

以運營20年的累計撓度為例，分析預應力損失與累計撓度的關系，如圖6所示。從圖6可知，累計撓度隨預應力損失線性增加，預應力損失增大5%，運營20年累計撓度約增大6mm。綜上所述，預應力損失對大跨徑預應力混凝土剛構橋長期撓度的影響非常顯著，這主要是由于預應力損失后，預應力效應和恒載效應不匹配，二者差值不斷擴大，從而導致橋梁長期撓度增大。

4 結論

鑒于上述分析，可以得到以下結論。

①懸臂澆筑的連續剛構橋每個階段的施工周期對橋梁結構后期性能有明顯影響。施工時間縮短，造成混凝土早期承受荷載，后期徐變變形增大。

②徐變變形的增大加大了預應力損失，計算結果表明，在混凝土齡期3d的情況下張拉預應力，會造成預應力損失增加2%左右。

③預應力損失對橋梁長期下撓有明顯的影響，預應力分別損失5%、10%和15%的情況下，運營20年累計撓度分別是23.775mm、29.779mm和35.858mm，分別是無預應力損失情況下的1.33倍、1.668倍和2.0倍。預應力損失每增加5%，運營20年累計撓度約增大6mm。

預應力損失是大跨徑連續剛構橋跨中過度下撓的重要原因，同時截面開裂、剛度退化也進一步加劇了跨中下撓。因此，應嚴格控制施工工序，精確控制預應力張拉，較小跨中下撓，保證結構安全。

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