預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁撓度影響分析

摘要：隨著公路橋梁使用年限的增長，其跨中部位產(chǎn)生的長期撓度也會越來越大，嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)的安全性能，因此對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的長期撓度進(jìn)行分析和處理是十分必要的。以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^Midas建立有限元模型，探究影響橋梁撓度的多種因素及其作用程度，并提出針對性的解決方案，以延長橋梁的服役期限。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；有限元模型；撓度；二期荷載；收縮徐變

0" "引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，公路橋梁承受了越來越大的運(yùn)營壓力，同時由于超載、養(yǎng)護(hù)不到位等原因，導(dǎo)致公路、橋梁遭到了各種各樣的損傷和破壞，嚴(yán)重影響了公路橋梁的耐久性、穩(wěn)定性和安全性，并給行車安全與舒適性造成一定的影響[1-2]。

針對橋梁撓度影響方面，黃曉東依托于某箱型橋梁建立了車速與軸重變化影響動撓度的計算參數(shù)擬合模型，分析了不同移動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)動撓度的影響規(guī)律規(guī)律，獲得了車速及軸重變化影響動撓度的計算參數(shù)擬合結(jié)果[3]。趙新宏等以貴州某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔瑢蛄涸诔蓸螂A段以及運(yùn)營多年后的下?lián)狭孔鳛樵u判標(biāo)準(zhǔn)，分析了導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生撓度的關(guān)鍵因素，并提出遏制橋梁長期下?lián)系年P(guān)鍵在于控制混凝土的收縮徐變變形與減少預(yù)應(yīng)力損失[4]。王海峰對大跨徑懸澆PC連續(xù)箱梁跨中下?lián)铣掷m(xù)增大及箱梁開裂等問題開展研究，采用Midas/Civil軟件建立相應(yīng)的有限元分析模型進(jìn)行參數(shù)分析，并提出了對應(yīng)的預(yù)防措施[5]。胡曉旻采用橋梁溫度、撓度自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道交通連續(xù)梁橋的撓度及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析了橋梁撓度與溫度變化的關(guān)系，得到橋梁撓度變化與溫度變化存在線性相關(guān)性[6]。

在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，本文以某在建的三跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas civil建立了對應(yīng)的三維空間有限元模型，對橋體長期下?lián)线M(jìn)行分析，得出影響橋體長期下?lián)系囊蛩兀⑻岢隽讼鄬?yīng)的預(yù)防措施。

1" "工程概況

本橋梁共4聯(lián)，為4×30m+4×30m+（70+130+70）m+4×30m。上部采用（70+130+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋采用30m的裝配式預(yù)制預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺及空心墩，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

主梁為單箱單室截面，采用預(yù)應(yīng)力混凝土材料。箱梁頂板寬12m，底板寬6.5m，橋面橫坡為雙向2%。主梁根部梁高7.8m，跨中部梁高為3.2m，根部與跨中截面之間其余截面高度，按照1.8次拋物線進(jìn)行過渡。翼緣板懸臂長度為2.75m，僅0#塊的部分箱梁頂板厚度為0.5m，剩余兩端的頂板厚度均設(shè)置為0.3m。而箱梁底板的厚度則從跨中位置的0.32m開始，按照1.8次拋物線的規(guī)律逐漸增厚，直至箱梁根部達(dá)到1m。主橋主梁斷面圖如圖1所示，支點(diǎn)斷面如圖2所示。

該橋主橋現(xiàn)澆箱梁混凝土強(qiáng)度等級為C55，引橋預(yù)制小箱梁和現(xiàn)澆橋面混凝土鋪裝采用C50混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線強(qiáng)度等級為1860MPa。橋梁采用掛籃懸臂施工方式，按照先邊跨后中跨的順序進(jìn)行合龍作業(yè)。

2" "建立模型

利用Midas軟件構(gòu)建該橋梁的有限元模型，共包含80個梁單元。依據(jù)設(shè)計圖紙的施工流程，橋梁施工被詳細(xì)劃分為60個不同施工階段，并模擬實(shí)際施工建立了固結(jié)和鉸接約束方式。

基本梁單元設(shè)置完成后，在設(shè)計中考慮了多種荷載因素，具體荷載包括二期恒載、可變荷載、預(yù)加應(yīng)力、溫度變化影響、支座沉降影響、混凝土十年收縮徐變作用等。全橋有限元模型如圖3。

3" "影響因素及應(yīng)對措施

本文針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋撓度的影響因素，選擇了二期荷載、十年收縮徐變、汽車荷載以上3個工況進(jìn)行分析。

3.1" "二期荷載影響及應(yīng)對措施

二期荷載對撓度的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整、預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、荷載水平、干濕交替的環(huán)境和二期恒載。

3.1.1" "結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整

通過調(diào)整結(jié)構(gòu)不同部位的剛度，如增加中支點(diǎn)梁高或跨中梁高，可對撓度產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為中支點(diǎn)梁高增加有助于減小撓度，但當(dāng)跨中與中支點(diǎn)梁高的比例接近某臨界值時，下?lián)蠝p小的速度會減慢。

3.1.2" "預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力損失對跨中長期撓度有顯著影響，特別是底板預(yù)應(yīng)力損失相較于頂板，其對跨中長期撓度的影響更為突出。預(yù)應(yīng)力用于防止結(jié)構(gòu)向下彎曲，但當(dāng)有效預(yù)應(yīng)力減小時，其防止彎曲的效果會減弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的撓度增加。

3.1.3" "混凝土收縮徐變

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中產(chǎn)生下?lián)系闹饕颍谟诨炷猎谑褂眠^程中會產(chǎn)生收縮徐變，收縮徐變會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土之間會產(chǎn)生相對滑移，從而產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失。因此在一定程度上對于主跨跨中撓度變化，可以通過考慮以上2個因素進(jìn)行預(yù)測[9]。

3.1.4" "荷載水平和干濕交替的環(huán)境

荷載水平對腐蝕環(huán)境下混凝土構(gòu)件的撓度變形影響明顯。在腐蝕環(huán)境下，若梁結(jié)構(gòu)承受的荷載水平向較大，對比相同條件下承受荷載水平向較小的試驗(yàn)梁，其撓度值會更大。濕度不斷變化的環(huán)境也會使撓度產(chǎn)生波動趨勢。相對濕度發(fā)生變化較大，會使混凝土產(chǎn)生較大徐變，從而導(dǎo)致?lián)隙仍龃蟆?/p>

3.1.5" "二期恒載

在橋梁工程中，二期恒載通常指在橋梁建設(shè)完成后，隨著使用時間的推移新增的恒載，如瀝青鋪裝層、防撞墻等。這些荷載會直接增加橋梁的撓度。二期恒載對撓度的影響如圖4所示。

二期荷載對撓度的影響是多方面的，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能、環(huán)境因素等多個層面。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮這些因素，通過合理的設(shè)計和施工來控制和減小二期荷載對撓度的影響。

3.2" "十年收縮徐變影響及應(yīng)對措施

徐變會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下繼續(xù)發(fā)生變形。這種變形是不可逆的，會導(dǎo)致橋梁的撓度增加。徐變效應(yīng)與時間相關(guān)，且在混凝土早期和加載初期發(fā)展較快，因此對于施工周期較長的大跨度橋梁，徐變對撓度的影響尤為重要。

收縮對撓度的影響主要在收縮引起的變形，因變形受到約束而產(chǎn)生的次內(nèi)力也會影響橋梁的撓度。收縮和徐變共同作用，會引起預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而影響橋梁的撓度。

在計算和設(shè)計時。應(yīng)考慮混凝土的收縮與徐變。不同的計算模式和參數(shù)取值，對收縮徐變引起的撓度計算結(jié)果有顯著影響。在工程設(shè)計時，需要選擇合適的收縮徐變計算模式，并考慮材料和環(huán)境參數(shù)的變化。十年收縮徐變對撓度的影響如圖5所示。

在實(shí)際工程中，需要對橋梁的預(yù)拱度進(jìn)行計算，并考慮收縮徐變對成橋后變形的影響。十年的收縮徐變對橋梁撓度有顯著影響，需要在設(shè)計和施工階段進(jìn)行準(zhǔn)確評估和控制，以確保橋梁的安全性和使用壽命。

3.3" "汽車荷載影響及應(yīng)對措施

3.3.1" "影響因素

汽車荷載的位置、車速、載重、動力響應(yīng)和材料特性等都會影響橋梁的撓度。

一是車輛荷載位置。車輛荷載的位置對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響。偏載（即車輛荷載不均勻分布）會引起結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對橋梁的動力響應(yīng)影響較大，尤其是當(dāng)車輛沿橋梁外側(cè)行駛時，引起的動力響應(yīng)最大。

二是車速。車速的增加會顯著增加橋梁跨中的橫向位移、扭轉(zhuǎn)角度以及支座所承受的豎向力；同時，車速的增加會導(dǎo)致截面扭轉(zhuǎn)角增大，從而影響橋梁的撓度。

三是車輛載重。車輛的載重對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響，載重的增加會使橋梁的豎向位移、橫向位移、截面扭轉(zhuǎn)角和支反力的正向峰值和負(fù)向峰值均有所增加。

四是動力響應(yīng)。對于連續(xù)曲線梁橋，汽車荷載作用下的動力響應(yīng)分析顯示，偏載、車速、載重以及材料非線性等因素對橋梁的動力響應(yīng)有顯著影響。考慮材料非線性后，計算所得位移峰值比線性分析結(jié)果略微偏大，軸重越大影響越大。盡管材料的非線性特性對支撐反力的影響不大，但它對結(jié)構(gòu)中間位置的豎向和水平位移，以及旋轉(zhuǎn)角度的峰值變化有一定的影響。

3.3.2" "應(yīng)對措施

在橋梁設(shè)計中，需要考慮這些因素以確保結(jié)構(gòu)的安全性和功能性。汽車荷載對撓度的影響如圖6所示。設(shè)計時通常會考慮到最不利的荷載組合，以確保橋梁在各種條件下的穩(wěn)定性和耐久性。

車荷載對橋梁撓度的影響是多方面的，這些因素共同作用于橋梁結(jié)構(gòu)，從而影響橋梁的撓度。在實(shí)際的橋梁設(shè)計和維護(hù)中，這些因素都需要考慮和分析。

4" "結(jié)束語

撓度作為橋梁健康監(jiān)測的一個重要指標(biāo)，可以實(shí)時反映橋梁的剛度和動態(tài)響應(yīng)，控制橋梁撓度有助于及時發(fā)現(xiàn)橋梁病害，保證橋梁的安全運(yùn)行。控制橋梁撓度能確保行車安全平穩(wěn)，特別對鐵路等有軌交通，有效管控?fù)隙饶茴A(yù)防列車脫軌事故的發(fā)生。本文以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^Midas建立有限元模型，探究影響橋梁撓度的多種因素及其作用程度，并提出針對性的解決方案，

增加構(gòu)件的截面尺寸可以增加構(gòu)件的抗彎剛度，從而減小構(gòu)件的撓度。通過優(yōu)化構(gòu)件的截面尺寸，可有效控制和降低撓度。使用高強(qiáng)度材料可以提高構(gòu)件的抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度，減少外力對構(gòu)件彎曲引起的撓度。

通過增設(shè)構(gòu)件的支撐部位，能有效控制構(gòu)件在承受荷載時的撓度。在設(shè)計階段，可以通過增加支撐點(diǎn)的數(shù)量和位置，或者增加支座和支架的剛度，來減小受彎構(gòu)件的撓度。

受彎構(gòu)件在受力過程中，可能發(fā)生幾何非線性行為。在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮構(gòu)件的幾何非線性行為對撓度的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的分析和計算。梁的撓度與其跨度的n次方成正比，設(shè)法減小梁的跨度，能有效地減小梁的撓度，從而提高梁的剛度。

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