大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋受力影響機(jī)理及控制策略研究

寧加偉，李樹鼎，師新虎

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]的建設(shè)得到空前發(fā)展。由于連續(xù)剛構(gòu)橋具有剛性美、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在高速公路以及國(guó)省干線上得到大力應(yīng)用。然而大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)自重較大，在環(huán)境荷載等作用下，主梁豎向撓度[3]和線形變形[4]也較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全和行車安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

針對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度以及線形問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。張陽(yáng)[5]、王艷[6]和陳浩[7]等研究分析了縱向和豎向預(yù)應(yīng)力損失、結(jié)構(gòu)超重、混凝土加載齡期、跨中下?lián)系炔焕蛩貙?duì)大跨PC 連續(xù)剛構(gòu)橋工作性能和受力情況的影響，并給出了一定的建議和措施；鄒錦華[8]等在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋常見病害分析的基礎(chǔ)上，提出了有利于結(jié)構(gòu)防治下?lián)系慕ㄔO(shè)性意見；肖金軍[9]等采用荷載零彎矩法對(duì)橋梁預(yù)應(yīng)力配束方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合相關(guān)材料性能試驗(yàn)，從預(yù)應(yīng)力鋼束配筋和混凝土材料性能優(yōu)化等角度提出了預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋下?lián)系目刂品椒ǎ获R振棟[10]、張陽(yáng)[11]和朱德祥[12]等均從不同角度探究了連續(xù)剛構(gòu)橋主梁過(guò)度下?lián)系目刂品椒āＲ陨涎芯恐饕獜氖┕さ姆椒ā⒉牧咸匦缘冉嵌葘?duì)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)蠁?wèn)題進(jìn)行了研究，而對(duì)成橋營(yíng)運(yùn)階段的下?lián)蠁?wèn)題研究較少。

基于上述研究，以山嶺地區(qū)某大跨度高墩雙肢薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探究成橋營(yíng)運(yùn)階段主梁下?lián)系闹饕梢颉⒂绊憴C(jī)理及對(duì)應(yīng)控制策略問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

為探究大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主跨下?lián)铣梢騿?wèn)題，以山嶺地區(qū)跨徑組成（106 m+200 m+106 m）的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋采用雙肢薄壁墩，其橋型布置情況見圖1，樁基為嵌巖樁。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

1.2 下?lián)铣梢驕\析

超大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋由于結(jié)構(gòu)體主要材料為混凝土，自重大，且混凝土收縮徐變受環(huán)境溫濕度影響較大。因此隨著時(shí)間的推進(jìn)，大跨度剛構(gòu)橋主梁豎向位移值會(huì)持續(xù)性增加，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的開裂。而裂縫開裂會(huì)減小主梁剛度，進(jìn)一步加大主梁豎向下?lián)希虼擞斜匾獙?duì)連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)铣梢蜻M(jìn)行分析，進(jìn)而在設(shè)計(jì)、施工以及后期養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中有針對(duì)性的制定相應(yīng)策略，盡可能減緩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土下?lián)虾土后w開裂等情況的出現(xiàn)。

研究表明，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)系挠绊懸蛩剌^多，主要包括汽車荷載、整體升降溫、混凝土收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失。而在混凝土收縮徐變中，主要是以相對(duì)濕度以及加載齡期為主要影響因素。

各種荷載作用對(duì)主梁撓度的定性影響機(jī)理見表1 所示。

表1 主梁撓度影響性分析

由表1 可知，汽車荷載以及整體升降溫對(duì)主梁豎向撓度影響較小，對(duì)主梁豎向撓度影響較大的影響參數(shù)為混凝土收縮徐變與預(yù)應(yīng)力損失。因此有必要進(jìn)一步深入探究混凝土收縮徐變以及預(yù)應(yīng)力損失對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度的影響規(guī)律。

2 計(jì)算工況及有限元模型

2.1 計(jì)算工況

針對(duì)上述影響大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋豎向撓度的主要參數(shù)，下面結(jié)合工程中經(jīng)常出現(xiàn)的各種情況，按表2 的計(jì)算工況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算與分析。

表2 計(jì)算工況

預(yù)應(yīng)力損失與混凝土收縮徐變、相對(duì)濕度、加載齡期都有一定的影響，具有耦合性、多因素影響等特性。為便于后文分析各個(gè)單一因素對(duì)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力和應(yīng)力的影響，此處并未考慮多因素耦合性的影響。

2.2 有限元模型

為對(duì)上述表2 的各個(gè)計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算與分析，有必要對(duì)依托橋梁進(jìn)行建模。基于有限元軟件，并結(jié)合依托橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙建立該橋的空間有限元模型，其中材料信息見表3。

表3 材料信息

全橋采樣梁?jiǎn)卧M，樁基底部固結(jié)，樁基與承臺(tái)之間通過(guò)剛臂進(jìn)行連接，橋墩和主梁進(jìn)行固結(jié)，在邊跨橋梁梁端約束主梁豎向和橫向位移，縱向放開，預(yù)應(yīng)力鋼束通過(guò)輸入鋼束坐標(biāo)進(jìn)行模擬。全橋共計(jì)1103 個(gè)節(jié)點(diǎn)和868 個(gè)單元，其有限元模型見圖2。由于該橋樁基礎(chǔ)為嵌巖樁，故將樁側(cè)的彈性支撐設(shè)置為剛性支撐的形式。

圖2 有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 位移

在三種影響因素作用下的主梁位移分別見圖3至圖5 所示。

圖3 相對(duì)濕度

圖4 加載齡期

圖5 預(yù)應(yīng)力損失

分析圖3 至圖5 可知：

（1）主梁撓度在相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失三個(gè)影響因素下的整體變化規(guī)律基本保持一致，即在主跨產(chǎn)生最大撓度，在邊跨靠近橋墩和橋臺(tái)處有輕微向上的變形；

（2）仔細(xì)分析可知，相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁撓度影響程度從大到小的順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失＞相對(duì)濕度＞加載齡期；

（3）仔細(xì)分析圖5 預(yù)應(yīng)力損失可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失從5%變化到25%時(shí)，主梁最大向下?lián)隙仍黾蛹s增加了18.86%，說(shuō)明主梁向下?lián)隙葞缀跖c預(yù)應(yīng)力損失變化量成正比關(guān)系。

3.2 內(nèi)力

在三種影響因素作用下的關(guān)鍵位置內(nèi)力分別見圖6 至圖8 所示。

圖6 加載齡期

圖7 相對(duì)濕度

圖8 預(yù)應(yīng)力損失

由有限元模型計(jì)算結(jié)果可知，加載齡期和相對(duì)濕度作用下的彎矩均發(fā)生在橋墩墩底，而預(yù)應(yīng)力損失作用下的彎矩發(fā)生在橋墩頂對(duì)應(yīng)主梁截面處，這是因?yàn)閮H在主梁布設(shè)了預(yù)應(yīng)力束。而剪力主要發(fā)生在橋墩頂對(duì)應(yīng)主梁截面處，這與連續(xù)剛構(gòu)受力特點(diǎn)相符合。

分析圖6 至圖8 和表4 可知：

表4 各計(jì)算參數(shù)下的內(nèi)力計(jì)算值

（1）由圖6 至圖8 可知，結(jié)構(gòu)彎矩和內(nèi)力隨加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失增加而增加，隨相對(duì)濕度增加而減小；

（2）由表4 可知，相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩和剪影響程度從大到小的順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失＞相對(duì)濕度> 加載齡期，這與上述主梁撓度影響順序相同；

（3）當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失從5%變化到25%時(shí)，彎矩是原來(lái)的2 倍左右，可見預(yù)應(yīng)力損失會(huì)顯著加大主梁的彎矩。

4 策略研究

由上述分析可知，影響大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度以及結(jié)構(gòu)受力的主要因素有：相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失。其中影響程度從大到小的順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失＞相對(duì)濕度＞加載齡期。

可見為防治大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)較大程度的下?lián)虾蛢?nèi)力問(wèn)題，有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力和相對(duì)濕度進(jìn)行控制，具體控制措施如下：

（1）設(shè)計(jì)階段

合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力束線形，盡可能加大預(yù)應(yīng)力束曲率半徑，減小管道摩阻損失；

合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力束張拉工藝，主要包括預(yù)應(yīng)力束的張拉順序以及張拉時(shí)間，需等到梁體混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可張拉，減少預(yù)應(yīng)力束彈性回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失；

合理選用預(yù)應(yīng)力束錨固系統(tǒng)，減少錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失；

嚴(yán)格控制主梁箱梁混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)配合比、水灰比、減水劑用量，進(jìn)而通過(guò)控制配合比達(dá)到對(duì)相對(duì)濕度的控制。

（2）施工階段

要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙放樣預(yù)應(yīng)力束，并在放樣后及時(shí)校核尺寸偏差；

嚴(yán)格按照預(yù)應(yīng)力束張拉順序、張拉要求和錨具安裝工藝進(jìn)行預(yù)應(yīng)力束的規(guī)范施工；

在張拉預(yù)應(yīng)力束時(shí)，張拉力必須在張拉控制力容許范圍內(nèi)，不能過(guò)多張拉或過(guò)少?gòu)埨?/p>

在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，要嚴(yán)格結(jié)合設(shè)計(jì)文件中對(duì)配合比、水灰比、減水劑用量和相關(guān)施工規(guī)范，控制主梁箱梁混凝土結(jié)構(gòu)的濕度；

工地試驗(yàn)室、監(jiān)理單位等不定期對(duì)主梁箱梁混凝土強(qiáng)度、碳化情況等方面進(jìn)行抽檢。

（3）營(yíng)運(yùn)使用階段

時(shí)刻關(guān)注和檢查預(yù)應(yīng)力管道是否存在破損、開裂，進(jìn)而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力束銹蝕引起的預(yù)應(yīng)力損失；

對(duì)預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大的預(yù)應(yīng)力束，在有條件的情況下，及時(shí)進(jìn)行更換。

定期對(duì)主梁箱梁內(nèi)部濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)濕度較大或積水等情況，要及時(shí)進(jìn)行除濕等措施，確保箱梁內(nèi)部的干燥。

5 結(jié)語(yǔ)

主要結(jié)論如下：

（1）相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁撓度影響程度從大到小的順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失＞相對(duì)濕度＞加載齡期，其中當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失從5%變化到25%時(shí)，主梁最大向下?lián)隙仍黾蛹s增加了18.86%；

（2）相對(duì)濕度、加載齡期和預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩和剪影響程度從大到小的順序?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失> 相對(duì)濕度＞加載齡期，這與上述主梁撓度影響順序相同；當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失從5%變化到25%時(shí)，彎矩是原來(lái)的2 倍左右，可見預(yù)應(yīng)力損失會(huì)顯著加大主梁的彎矩。

（3）為防治大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)較大程度的下?lián)虾蛢?nèi)力問(wèn)題，有必要從設(shè)計(jì)階段、施工階段以及營(yíng)運(yùn)階段對(duì)預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行控制。