多跨連續梁橋支座預偏量的影響因素研究

李登武 何振華

【摘要：】為研究收縮徐變、合龍順序、合龍溫度和彈性模量對多跨連續梁橋支座位移的影響和發展變化規律，確保混凝土澆筑質量，文章以在建的丹江水庫多跨連續梁橋為工程背景，利用有限元計算軟件建立全橋模型，對影響支座預偏量的主要因素進行計算分析，得出不同工況下的支座預偏量值。分析結果表明：支座位移受結構齡期的增長和外界環境濕度變化影響明顯;預應力加載時間、合龍順序、合龍差變化和混凝土彈性模量波動對支座預偏量影響均較小，實際工程中應根據實際施工情況合理地設置支座預偏量。

【關鍵詞：】多跨連續梁橋;支座預偏量;收縮徐變;橋梁合龍

U448.21+5A521724

0 引言

多跨連續梁橋的施工周期較長，梁體受收縮徐變、環境溫度和濕度影響會產生較大的縱向變形[1]。合理的支座預偏可有效地使支座滑移量符合設計要求，保證支座正常工作。

為更好地研究多跨連續梁橋支座位移發展變化規律，避免支座因梁體位移過大而導致偏心受力甚至脫空，本文依托在建水庫多跨連續梁橋項目，利用有限元計算軟件，以結構本身因素（預應力、彈性模量、混凝土收縮徐變）、施工合龍順序和合龍溫差為主要對象進行研究，分析計算出合理的支座預偏量值。相關研究方法和研究結論可指導該橋現場實際施工，同時也為同類型連續梁橋支座預偏量分析和取值提供參考。

1 工程概況

龍山大橋位于丹江口水庫漢江干流上，連接江北涼水河鎮和江南龍山鎮，距離丹江口水利樞紐壩址（水路）30 km。大橋上部主跨為（75+4×130+75）m預應力連續梁橋體系，按雙向四車道設計，橋面總寬24.5 m;橋梁下部結構采用實體板墩、鉆孔灌注基礎樁，橋臺采用重力式“U”型橋臺。全橋有限元模型軸視圖如圖1所示。

2 收縮徐變對支座預偏量的影響

在橋梁設計中，混凝土材料的收縮徐變引起的不利影響是不可忽略的[2]。本節主要從環境相對濕度和加載齡期兩個因素進行計算分析，研究收縮徐變對支座預偏量的影響。

2.1 相對濕度對支座預偏量的影響分析

混凝土澆筑與養護過程中環境濕度變化對結構后期位移存在較大影響。本文結合現場實際施工情況，環境相對濕度分別取50%、60%、70%、80%、90%五種工況，其他結構設計施工參數均保持不變。環境濕度變化對支座預偏量位移影響計算結果如圖2和表1所示。

由圖2和表1可知，在其他條件不變的情況下，支座預偏量受環境相對濕度變化影響明顯，支座預偏量隨環境相對濕度的增高而增大。以相對濕度70%為參考值，在增加或減少10%和20%時，支座最大預偏量變化分別為11.1 mm和-17.7 mm。

2.2 加載齡期對支座預偏量的影響分析

在保證工程質量和工期的前提下，單個梁段施工周期至少保證7 d左右，待混凝土澆筑5 d后開始張拉預應力束。本文結合現場實際情況，單個懸臂施工階段分別考慮8 d、10 d、12 d，預應力張拉時間分別為第5 d、第7 d、第9 d，分別考慮成橋時、成橋1年、成橋3年、成橋5年、成橋10年、成橋15年支座累計位移值，其他結構設計施工參數保持不變，混凝土濕度取70%。預應力荷載加載計算結果如圖3和表2所示，齡期計算結果如圖4和表3所示。

由圖3和表2可知，預應力張拉時間變化所引起的支座預偏量發展曲線非常接近，最大相對位移出現在加載齡期的第5 d，為2.3 mm，說明施工過程中預應力加載時間變化對支座預偏量影響相對較小。由圖4和表3可知，通過對成橋時、成橋1年、成橋3年、成橋5年、成橋10年、成橋15年這六個齡期仿真計算分析，可得出離8#墩固定支座越遠，預偏量隨齡期的增長變化越大，但后期預偏量變化速度隨齡期逐漸減小的結論。

濕度為70%且預應力荷載作用下支座預偏量取值如表4所示。

3 合龍順序對支座預偏量的影響

多跨連續梁橋有多種合龍順序，如從邊跨至中跨合龍、從中跨至邊跨合龍、全橋一次合龍等[3]。本橋根據原設計要求，采用次邊跨合龍→邊跨合龍→中跨合龍的合龍施工方式。隨著施工進一步展開，后因施工工期等因素導致合龍順序變更，擬采用邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍的合龍施工方式。本橋先后采用的兩種施工合龍方案實為常見連續梁橋（連續鋼構）典型合龍方案。不同合龍方案計算結果如圖5和表5所示。

由圖5和表5可知，在其他條件不變情況下，支座位移預偏量受合龍順序影響，相同墩號處先合龍段較后合龍段位移稍大，兩種合龍順序的位移變化曲線隨齡期的發展基本平行，說明合龍順序調整對支座前期位移影響較大。兩種合龍方案引起的邊跨支座預偏量為次邊跨支座預偏量2.28倍和2.06倍，10年成橋后的邊跨合龍較次邊跨合龍最終預偏量要小3.3 mm。因此，在滿足現場實際施工條件下，采用邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍的施工合龍方式對支座預偏量設置是較為有利的。

4 合龍溫度對支座預偏量的影響

丹江口境內屬北亞熱帶季風氣候，夏季炎熱，春秋溫和，多年平均氣溫在14.3 ℃～15.9 ℃。根據現場施工條件擬定于秋季施工，選擇在較低溫度時合龍，平均溫度取15 ℃。理論上施工工程中溫度恒定時對主梁線性和支座預偏量基本不產生影響，而實際合龍過程中往往和設計溫差存在一定差距，從而導致支座預偏量發生變化。

結合實際施工情況，混凝土濕度為70%，合龍設定溫度為15 ℃，考慮合龍溫差變化為-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃五種工況，其他結構設計參數均保持不變。合龍溫差變化和成橋后溫差變化對支座預偏量的影響計算結果如圖6、圖7所示，支座預偏量方向如表6所示。

由圖6和圖7可知，在其他條件不變的情況下，施工合龍溫差對支座預偏量影響較小，合龍溫差變化為±5 ℃、±10 ℃時的預偏量與參考溫度預偏量基本重合。成橋后溫差變化為±5 ℃時預偏量與參考溫度預偏量基本重合，溫差變化為±10 ℃時存在較小波動。結合表6可知，溫差增大為10 ℃時，支座預偏量最大值為5.76 mm，出現在邊跨支座處。溫差引起邊跨支座預偏量為次邊跨支座預偏量的1.88倍。

5 彈性模量對支座預偏量的影響

工程實踐表明，試驗所測彈性模量往往大于混凝土彈性模量設計值[4]。本文結合現場實際情況，對現場原材料進行配合比試驗，測得C55主梁混凝土第5 d、第7 d、第10 d、第28 d齡期的彈性模量分別為3.42×104 MPa、3.87×104 MPa、4.10×104 MPa、4.77×104 MPa，擬合成彈性模量發展曲線如圖8所示。

為討論混凝土彈性模量變化對支座預偏量的影響，一方面計算分析按設計彈性模量的-10%、+10%、+20%、+30%取值計算，相關計算結果如圖9所示;另一方面根據實驗室前期混凝土試塊試驗確定混凝土彈性模量，并考慮合龍溫差>10 ℃、混凝土濕度取70%且按先邊跨合龍方式進行綜合分析得出支座最終預偏量以指導實際施工，計算結果如圖10、表7所示。

由圖9和圖10可知，在其他條件不變的情況下，彈性模量變化對支座預偏量影響相對較小;6#和7#墩墩頂支座預偏量在前三年上升最明顯，后期支座預偏量變化緩慢。結合表7可知，在考慮合龍溫差為10 ℃、邊跨合龍和環境溫度為70%時，成橋十年后6#墩和7#墩最大位移影響量分別為54.74 mm、26.42 mm，且溫差引起邊跨支座預偏量為次邊跨支座的2.24倍。

6 結語

由以上數值參數分析可得出以下幾點結論：

（1）支座預偏量受收縮徐變影響最大，其中前三年影響最為明顯。考慮到第10～15年的混凝土收縮徐變并未停止，只是發展相對緩慢，在大跨徑橋梁設計過程中應適當考慮十年后加載齡期變化對支座預偏量的影響。

（2）環境相對濕度對支座預偏量變化影響明顯。環境相對濕度增大20%時對其10#墩支座預偏量考慮10年齡期時的最大影響為17.7 mm;預應力張拉延期2 d或滯后2 d對后期預偏量變化影響不明顯。

（3）多跨連續梁橋合龍時，上述兩種常見合龍方案后期隨齡期變化、收縮徐變影響基本相同，先邊跨合龍相比先次邊跨合龍支座最終預偏量值略小。

（4）合龍溫差和混凝土彈性模量的波動對支座預偏量存在一定影響，但影響值相對較小。當合龍溫差小于合龍參考溫度±5 ℃，彈性模量波動小于設計10%，其他條件不變時可正常施工。

（5）支座預偏量受現場實際施工影響較大，支座預偏量設置終值應結合主橋合龍順序、合龍溫差、實測彈性模量來綜合考慮計算，本文表7為同類型橋梁支座預偏量計算和取值提供依據。

參考文獻：

[1]肖星星.年溫差對多跨長聯橋的影響分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2008（4）：639-644.

[2]周 履，陳永春.收縮 徐變[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[3]渠廣鎮.多跨長聯PC連續梁橋施工控制關鍵問題研究[D].西安：長安大學，2010.

[4]林 強.連續梁橋懸臂現澆施工關鍵技術與控制方法研究[D].南京：東南大學，2016.