连续梁桥线形控制的主要影响因素分析

王丽娟

(新疆西域公路建设集团有限责任公司，新疆　乌鲁木齐　830000)



连续梁桥线形控制的主要影响因素分析

王丽娟

(新疆西域公路建设集团有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000)

王丽娟(1977—)，助理工程师，研究方向：公路工程管理。

摘要：文章结合某预应力混凝土连续梁桥工程实例，利用Midas/Civil有限元计算软件，模拟计算了混凝土容重变化、预应力变化、混凝土弹性模量变化、混凝土收缩徐变等因素对连续梁桥主梁线形控制的影响，并依据数值模拟结果，提出了降低影响的经验建议。研究结果对于大跨径连续梁桥的施工线形调整和施工过程监控具有一定的指导价值。

关键词：连续梁桥；线形控制；影响因素；容重变化；预应力变化；混凝土弹性模量变化；徐变

0引言

预应力混凝土连续梁桥通常采用悬臂浇筑法来进行上部结构施工，主墩两端采用挂篮对称浇筑，边跨部分采用支架现浇，跨中的合拢则在吊架上浇筑来实现[1-3]。预应力混凝土连续梁桥的主要施工顺序为：主墩的对称悬臂浇筑→边跨的合拢→跨中的合拢。悬臂浇筑时，主梁和主墩之间采用临时固结方式，当跨中合拢段施加预应力完成后，取消临时固结，此时，桥梁的体系结构瞬间发生转变，即静定结构转变为超静定结构。因此，预应力混凝土连续梁桥整个施工过程相对比较复杂，包括主梁的悬臂浇筑施工，结构体系的转变过程。工程人员一般通过理论和数值模拟计算各个环节主梁的内力变化值和标高值，然而，混凝土材料本身的分均质性和不稳定性，且外部环境因素(温度、时间、湿度)和结构自身的相互作用，使得桥梁结构的线形发生变化，甚至超过设计允许要求。这种线形的变化从桥梁自身结构的安全性、美观性、行车条件、耐久性以及经济性等方面给施工带来很多不利的影响[4-6]。

本文基于此，结合某桥梁工程项目，利用有限元软件分析了混凝土容重变化、预应力变化、混凝土弹性模量变化、混凝土收缩徐变等主要因素对桥梁主梁线形控制的影响。

1工程概况

项目的大桥梁体全长158.2 m，三跨(40+65+40)m预应力混凝土连续梁桥。梁体采用变截面高度的单箱单室结构。箱梁的顶宽为9.9 m，线间距为5.0 m。箱梁底宽为6.0 m，顶板厚度35 cm。桥面宽度：内侧净宽度9.5 m，桥面板宽度9.9 m。桥面两侧设人行道，人行道宽1.2 m。全桥共有2个边跨合拢段和中跨合拢段，合拢段部位长2 m。

1.1　该预应力混凝土连续梁桥主要的技术标准

(1)设计速度：客车100 km/h，货车80 km/h。

(2)线路情况：双线直曲线，曲线半径1 300 m，线间距为5 m。

(3)设计使用年限：在正常使用条件下桥梁整体的设计使用寿命为100年。

(4)施工方法：桥位悬臂浇筑施工。

(5)地震烈度：≤8度。

1.2　主要设计荷载

(1)结构构件自重。

(2)附属设施重(二期恒载)：包括路面结构、防水设施、保护层、人行道板及护栏、声屏障、电力支架等附属设施重量，单侧声屏障按3.5 kN/m计算，二期恒载合计直线梁按130~145 kN/m计算，曲线梁按140~150 kN/m计算。

(3)施工荷载：施工挂篮、机具、人群等按680 kN计，当与实际施工不符时，需要依据具体荷载重新计算。

1.3　主要材料

(1)混凝土：梁体混凝土强度等级为C50，封端采用强度等级为C45的干硬性补偿收缩混凝土。

(2)纵向预应力体系：采用预应力钢绞线。

(3)普通钢筋：HPB235钢筋和HRB335钢筋。

2计算介绍

Midas/Civil 2010有限元软件是一个计算能力强大和简便的专门针对桥梁施工监控计算的软件。该计算软件能够对预应力混凝土连续梁桥浇筑和张拉前后以及挂篮施工过程中梁体内力变化进行计算，并且能够考虑材料因温度变化和收缩徐变的影响。计算C50混凝土材料(含普通钢筋)容重为γ0=26.71kN/m3，热膨胀系数为1.00×10-5，泊松比为0.2，弹性模量为3.45×104MPa。通过有限元方法的计算，依据桥梁分段情况，将桥梁划分为68个单元，69个节点。

为了保证大跨度连续梁桥的实际线形与实际线形的一致性。需要全面分析各方面因素，分析这些因素对桥梁施工的影响状况，便于施工的有效控制。本文主要考虑混凝土容重变化、预应力变化、混凝土弹性模量变化、混凝土收缩徐变(由相对湿度、加载时间和顺序引起的)等四个主要因素对桥梁线形控制的影响。

3线性控制主要影响因素分析

3.1　混凝土容重变化对主梁线形控制的影响

大桥的主梁采用的混凝土标号为C50，C50混凝土孔隙较少，实测的容重通常比规范要求大，因此，主要考虑将混凝土容重的规范值增加5%和10%，分析全桥主梁的挠度值变化规律，如图1所示。

图1　混凝土容重对主梁挠度值变化的影响示意图

从图1可知，主梁跨中的挠度随着混凝土容重的增加逐渐减小。当混凝土的挠度值为规范值时，跨中的最大垂直挠度值约为13.5mm，边跨的最大挠度值约为3.3mm，混凝土的容重提高5%时，跨中挠度值减小为12.2mm，边跨挠度值变化不大。混凝土的容重提高10%时，跨中挠度值减小约为11.5mm，边跨挠度值变化不大。因此，混凝土容重的变化对中跨的线形变化影响明显，对边跨的影响作用不大。

3.2　预应力变化对主梁线形控制的影响

预应力的损失对于大跨径桥梁的线形控制来说非常重要。预应力钢筋张拉后，由于施工和材料等方面的原因，使预应力损失。本文主要考虑预应力张拉不足或者超张拉对桥梁扰度值变化的影响，即在张拉控制应力N=70%σcon的基础上，计算预应力为N+5%和N-5%的桥梁挠度变化值，计算结果如图2所示。

图2　预应力变化对主梁挠度值变化的影响示意图

从图2中可以看出，张拉预应力变化对桥梁中跨和边跨的挠度影响非常明显，挠度值变化较大。张拉预应力为65%σcon，跨中的挠度值约为10mm，边跨挠度值约为2.5mm，张拉预应力为70%σcon，跨中挠度值约为14mm，边跨挠度值约为3.5mm，而张拉预应力为75%σcon，跨中挠度值约为17mm，边跨挠度值约为3.8mm。随着混凝土容重增加或减小5%，中跨的挠度值变化在3~4mm之间，边跨挠度值的变化在1mm之内。

3.3　混凝土弹性模量变化对主梁线形控制的影响

材料的弹性模量的大小与结构的变形有着密切的关系。尤其是弹性模量非线性变化的材料，随着时间的增加，弹性模量也逐渐变化。因此，本文在考虑混凝土模量规范值的基础上，通过增加和减小20%的弹性模量，来计算和分析主梁的挠度值变化规律，结果如图3所示。

图3　弹性模量对主梁挠度值变化的影响示意图

从图3中可知，改变混凝土弹性模量的大小对主梁挠度变化的影响作用显著。当混凝土的弹性模量为Ep时，主梁的跨中挠度值为13.5 mm，边跨的挠度值为3.5 mm。当减小20%的弹性模量时，主梁跨中挠度值相应地增加约为26%，边跨挠度值增加约为22.9%；当弹性模量增加20%时，主梁跨中挠度值相应地减小了约17%，边跨挠度值减小了约20%。

3.4　混凝土收缩徐变对主梁线形控制的影响

3.4.1相对湿度不同对混凝土收缩徐变挠度的影响

环境的响度湿度的变化，能够影响混凝土中水泥水化作用的快慢。相对湿度较大，水化作用反应明显，形成的水泥胶凝结构越多，使得混凝土在加载初期的徐变和收缩变化较小；反之，相对湿度越小，则对徐变和收缩的影响越大。桥梁混凝土结构在设计时，通常取规范值，计算的模式主要有以下两种方式：(1)年平均相对湿度变化为40%

图4　相对湿度对主梁挠度值变化的影响示意图

从图4中可以看出，相对湿度RH=55%时，本桥跨中单元挠度值约为14 mm，相对湿度RH=80%时，跨中挠度值约为13 mm。整体来讲，相对湿度较低，混凝土的挠度值的变化在1 mm左右。因此，现场施工中桥梁结构构件的湿度应该控制在一个合理的范围内，以减小混凝土的收缩和徐变对桥梁线形控制的影响。

3.4.2加载龄期长短对混凝土收缩徐变挠度的影响

由于混凝土连续梁桥施工工期通常会因为天气和施工条件的限制而延长或缩短。混凝土梁通常在浇筑后的短时间内进行预应力筋的张拉作业，由于混凝土没达到养护龄期，变形较大，影响主梁后期的挠度值增加[7-8]。因此，加载龄期对混凝土徐变有很大影响。

基于此，本文主要模拟加载龄期分别为3 d、7 d、14 d的条件下，混凝土梁桥后期挠度的变化规律，计算结果如图5所示。

图5　加载龄期对主梁挠度值变化的影响示意图

从图5可知，不同混凝土的加载龄期对主梁后期的挠度值变化有影响。混凝土初期加载龄期与主梁的后期挠度值变化成反比关系，即加载龄期越短，桥梁的后期挠度值变化越大，加载龄期越长，桥梁的后期挠度值变化越小；主梁跨中挠度值在加载龄期3 d时为13.9 mm，因此，在保证主梁线形控制时，混凝土的加载龄期不宜过早，应该适当延迟几天。

3.4.3延期加载恒载时间对混凝土收缩徐变挠度的影响

通常条件下，桥梁全部合拢完工后，规定60 d内二期恒载加载完毕。为了探讨二期恒载加载时间对主梁挠度值的影响，本文在其他条件一致时，采取延期60 d和200 d完成加载两种模拟方式，计算结果如图6所示。

图6　延期加载恒载时间对主梁挠度值变化的影响示意图

通过图6曲线变化的对比分析可知，中跨和边跨恒载延期200 d加载比延期60 d加载的主梁后期挠度值变化都减小了1~2 mm。施工中，通常工期的变化导致二期恒载加载的时间无法确定，而恒载加载的时间延长，全桥的挠度值变化有减小的趋势，所以，选择合理的恒载加载时间对于线形的控制具有重要的意义。

4改善建议

通过以上混凝土容重变化、预应力变化、混凝土弹性模量变化、混凝土收缩徐变(由相对湿度、加载时间和顺序引起的)等主要因素对主梁后期挠度变化影响的分析。本文提出了以下建议来降低这些因素对挠度的影响：

(1)适当地增加混凝土的容重和弹性模量大小来减小扰度的变化，数值模拟值和实测值之间存在误差，需要通过测量混凝土的容重和弹性模量的实测值，来减小这种误差。

(2)预应力张拉时，应该通过控制千斤顶油表变化和伸长量来保障张拉效果，避免张拉不到位造成挠度过大，特殊情况可采用超张拉。

(3)混凝土的徐变和收缩对主梁的后期挠度变化影响较大，应该考虑相对湿度、混凝土加载龄期和恒载加载时间对桥梁挠度的影响。为减小混凝土加载龄期过短对桥梁主梁挠度的影响程度，有限元计算过程中，应该将加载龄期改变为7 d更为合理。

5结语

本文主要运用有限元计算软件模拟计算分析了混凝土容重变化、预应力变化、混凝土弹性模量变化、相对湿度、加载时间和混凝土加载龄期对连续梁桥挠度变化的影响。同时依据数值模拟结果，总结了几点降低影响因素的经验建议。研究结果对于大跨径连续梁桥的施工线形调整和施工过程监控具有一定的指导价值。

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Analysis on Main Influencing Factors for Linear Control of Continuous Girder Bridge

WANG Li-juan

(Xinjiang Xiyu Highway Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：Combined with the engineering practices of a prestressed concrete continuous girder bridge，and by using the Midas/Civil finite element software，this article simulated and calculated the impact of concrete density changes，prestress changes，concrete elastic modulus changes，concrete shrinkage and creep，and other factors on the main beam alignment control of continuous girder bridge，and based on simulation results，it proposed the experience recommendations to reduce the impact. The research results have a certain guiding value for construction linear adjustment and construction process monitoring of large-span continuous girder bridge.

Keywords：Continuous girder bridge；Linear control；Influencing factors；Density change；Prestress changes；Concrete elastic modulus change；Creep

收稿日期：2015-07-03

文章编号：1673-4874(2015)08-0056-05

中图分类号：U448.21+5

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.014

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