混凝土徐变对大跨连续梁桥预拱度设置影响研究

摘要：混凝土徐变己成为大跨度预应力混凝土桥梁设计施工中十分棘手而又不容回避的问题。特别是由于混凝土徐变而产生的桥梁挠度问题直接影响着桥梁结构安全和使用性能，那么要求必须能够准确地把握混凝土徐变对预拱度设置的影响。
　　关键词:大跨度连续混凝土梁桥；徐变；徐变效应；预拱度
　　
　　一、前言
　　混凝土徐变引起的预拱度在预应力混凝土梁的预拱度总值中占有很大的比例，混凝土徐变产生的原因较为复杂，精确地确定徐变的大小是不容易的，往往是利用建立在试验资料基础上的经验公式而求得。如果施工中对徐变影响不控制或控制不当，由混凝土徐变引起的挠度将会占总挠度值的相当大部分。不仅如此，混凝土的徐变，还将引起钢筋束中的预拉应力下降，通常称此为预应力损失。因此，在预应力混凝土结构的设计和施工中，应尽可能准确地计算出混凝土的徐变变形值及其相应的挠度值[26]。
　　二、基本原理
　　混凝土徐变是依赖于荷载且与时间有关的一种非弹性性质的变形。徐变可以持续非常长的时间，一般在5～20年后其增长逐渐达到一个极限值，但大部分徐变却在1～2年内完成。混凝土的徐变是预应力构件预应力损失的原因之一，因此在设计上不能忽视混凝土的徐变。
　　混凝土徐变是它作为粘滞弹性体的一种与时间有关的变形性质。混凝土浇注完成后，当在龄期时施加不变的应力后，混凝土除了会产生瞬时弹性应变外，在荷载的持续作用下，还产生随时间不断增长的附加应变，即徐变应变。当在时间时将荷载卸去，混凝土除了恢复瞬时弹性应变外，还随时间恢复了一部分徐变应变，被称之为滞后弹性应变，徐变恢复仅为卸荷前徐变的5～30%；除此之外，还有一大部分徐变应变不能恢复，不能恢复的徐变应变也称之为流动变形。由前面叙述可知，徐变应变包括滞后弹性应变和流动徐变两部分，即。
　　三、徐变对连续梁桥预拱度设置影响分析
　　分节段悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥，预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度。桥梁竣工以前，结构处于悬臂状态，各个节段的混凝土徐变主要影响施工预拱度的设置，此时的徐变习惯称为前期混凝土徐变。而桥梁竣工后，主梁已经合拢，结构处于连续状态，结构在桥梁自重、预应力、活载等荷载作用下混凝土徐变将随时间不断发展，直到若干年后，混凝土徐变趋于稳定。此时的混凝土徐变必然会影响到成桥预拱度的设置。习惯上把这种影响成桥预拱度设置的混凝土徐变称为后期混凝土徐变。
　　
　　（一）工程实例
　　武荆高速公路起于武汉东西湖，经汉川、应城、天门、京山、钟祥等地，止于荆门，全长约184公里。汉北河一号特大桥主桥全长210m，双向4车道，每幅桥宽13.5m，设计行车速度120km/h，设计汽车荷载汽一超20；主桥为55m+100m+55m的预应力混凝土连续梁桥，主桥箱梁采用单箱单室截面，根部梁高6m，跨中梁高2.7m。
　　汉北河一号特大桥采用悬臂浇筑法施工。主桥箱梁0号块长10m，每个主墩T构纵桥向划分为10个对称梁段，边跨主梁现浇段长3.86m。梁段数及梁段长度从根部至跨中分别为10m（0号块），4x3.8m，6x4.8m，2m（合龙段）。1~10号梁段采用挂蓝悬臂浇筑施工。全桥共有3个合龙段，边跨及中跨合龙段长度为2m。
　　
　　（二）混凝土徐变对施工预拱度设置影响
　　为了研究混凝土徐变对施工预拱度设置的影响，以汉北河一号特大桥进行分析。
　　采用土木专用有限元分析软件MIDAS/Civil建立汉北河一号桥的空间有限元模型，并对其进行各施工阶段的变形计算。汉北河一号桥有限元模型主要包括主梁、挂蓝、横隔板、预应力钢筋四部分。模型共有61个单元，76个节点，模型长度单位为m，力的单位为kN，温度的单位为℃，其它单位均由以上单位换算而得。箱梁采用C50混凝土，弹性模量采用实验所得的修正弹性模量，取为3.61×104MPa，泊松比为0.2，线膨胀系数1.0×10-5/m•。C，预应力钢绞线弹性模量1.95×105MPa，预应力筋与孔道摩擦系数0.2。
　　这里分别给出利用有限元模型计算出的不考虑前期混凝土徐变的施工预拱度值和考虑前期混凝土徐变的施工预拱度值。模型中徐变系数取用china（JTGD62-2004）徐变模型规定值。
　　
　　图3-1不考虑前期徐变施工预拱度图图3-2考虑前期徐变施工预拱度图
　　
　　图3-1给出了不考虑前期混凝土徐变的施工预拱度值，这里考察中跨跨中截面预拱度值，即中跨跨中截面f施工预拱度（不考虑前期混凝土徐变）为18mm；图3-2给出了考虑前期混凝土徐变的施工预拱度值，很明显在考虑了前期混凝土徐变时，施工预拱度有了明显的变化，这时中跨跨中截面f施工预拱度（考虑前期混凝土徐变）为29mm。为了进一步说明前期混凝土徐变对施工预拱度的影响值，也即只考虑前期混凝土徐变的预拱度值，这里中跨跨中截面f预拱度（只考虑前期混凝土徐变）为11mm。影响施工预拱度的因素众多，前期混凝土徐变预拱度值（中跨跨中）占整个施工预拱度值（中跨跨中）的37.9%，由此可以看出前期混凝土徐变对桥梁线形的影响不容忽略。特别对于悬臂施工法浇筑的梁式桥来说，施工预拱度中必须考虑前期混凝土徐变效应对其的设置影响。
　　
　　（三）混凝土徐变对成桥预拱度设置影响
　　预应力混凝土连续梁桥结构，成桥以后由于混凝土徐变效应，必然会产生竖向挠度，对桥梁线形产生影响。这也是在设置成桥预拱度中考虑混凝土徐变效应的原因。而混凝土徐变效应是随着时间不断变化的，在成桥初期，即成桥以后的前几年这种效应会比较大，而到后期这种徐变效应逐渐稳定。为了说明混凝土徐变效应发展趋势及徐变效应持续时间，这里分别讨论成桥1年、2年、5年和10年这几种情况混凝土徐变效应对预应力混凝土连续梁桥的线形影响，进而说明徐变效应对成桥预拱度设置影响。
　　仍然以汉北河一号特大桥为例进行分析，模型中徐变系数取用china（JTGD62-2004）徐变模型规定值。
　　图3-3成桥后混凝土徐变效应产生的预拱度值
　　分析图3-3数据，可以得出以下结论：
　　（1）对于三跨连续的汉北河一号桥（55m+100m+55m）来说，徐变效应对中跨的竖向挠度影响要远远大于对边跨的竖向挠度影响。成桥后1年、2年、5年和10年混凝土徐变效应产生的中跨竖向挠度最大值分别为-12.54mm、-18.70mm、-22.87mm和-23.04mm，而由混凝土徐变效应产生的边跨竖向挠度最大值和中跨竖向挠度最大值的比值分别为17.63%、15.25%、14.51%和14.53%。可见在设置考虑徐变效应的成桥预拱度时，如果边跨和中跨都一样按照传统的经验曲线来分配（预拱度最大值按边跨、中跨L/1000～L/2000），比如抛物线和余弦曲线将会出现比较大的误差。
　　（2）混凝土徐变效应是一个随时间不断发展的过程，且初期徐变效益较大，发展到一定时间后，徐变效应会逐步稳定。就汉北河一号桥而言，成桥前二年混凝土徐变效应产生的桥梁中跨跨中竖向挠度占到徐变效应总挠度的81.16%，而徐变效应大概在五年之后就基本稳定。成桥后5年和10年由于混凝土徐变效应产生的中跨跨中竖向挠度值变化很小，仅为0.17mm。
　　四、结论
　　对于悬臂施工法浇筑的梁式桥来说，施工预拱度中必须考虑前期混凝土徐变效应对其的设置影响；由徐变效应产生挠度而设置的成桥预拱度值占整个成桥预拱度值的35%左右，由此说明徐变对混凝土连续梁桥成桥预拱度的设置影响不可忽视的。特别对于成桥预拱度来说，使用有限元分析方法得出的计算结果与传统方法得出的预拱度曲线进行比较，发现传统方法与实际分析结果相差较大，有限元方法分析得出的预拱度与实际更为相符。
　　
　　参考文献
　　[1]王瑞花.湘江大跨度预应力连续梁桥收缩徐变研究：[硕士学位论文].北京：北京交通大学，2003，6
　　[2]邓科.混凝土徐变与桥梁的预拱度设置研究：[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学，2006.11
　　[3]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.
　　[4]王法武.大跨径预应力梁桥长期挠度控制研究：[硕士学位论文].上海：同济大学，2006，3
　　[5]范立础等.桥梁工程(上、下册).北京：人民交通出版社，1988