城市桥梁索辅体系设计长期性能研究

赵 松

(珠海市交通勘察设计院有限公司厦门分公司，福建 厦门 360012)

城市桥梁索辅体系设计长期性能研究

赵 松

(珠海市交通勘察设计院有限公司厦门分公司，福建 厦门 360012)

简述了索辅体系桥梁的结构特点，对城市桥梁混凝土收缩和徐变的诱发机理进行了分析，并以三好桥为例，对该桥主梁挠度、塔顶水平位移、主梁内力等进行了研究，同时提出了改善索辅体系桥梁长期性能的措施，以供参考。

桥梁，索辅体系，性能，混凝土

1 城市桥梁索辅体系

“索辅梁桥”的概念由邓文中教授提出，即在桥梁设计的过程中，改变原有只考虑主梁受力的梁桥设计模式或只考虑斜拉索受力的常规斜拉桥设计模式，代替以主梁、斜拉索组合受力的设计模式，从而充分发挥其各自的材料性能，以达到最大的经济和社会效益。鉴于索辅体系桥梁的上述优点，它一定会在不远的将来广泛出现于城市的江河之上。所以，系统深入地研究这种新兴的结构体系，掌握其结构特点，得出该类桥型的适用范围、设计参数的影响因素及长期使用性能，有助于今后更好地发挥索辅体系桥梁的优势，从而造福于社会。

2 城市桥梁混凝土的收缩和徐变

收缩和徐变是混凝土材料作为弹性粘滞体关于时间变化的重要物理力学性质，其对混凝土结构长期性能的影响受到了国内外学者的广泛关注，并取得了一系列研究成果。虽然收缩和徐变都与混凝土的材料性质有关，但收缩和徐变的诱发机理却完全不同。

2.1 混凝土的收缩

混凝土的收缩是由于混凝土体内水化反应、水泥凝胶体中吸附水蒸发、水泥凝胶体与外界环境反应等因素，而使混凝土本身体积缩小的一种物理化学现象。它的产生和发展与外荷载无关，而仅仅依赖于时间。诱发混凝土收缩的因素很多，不同的机理会对收缩有不同的影响。在混凝土产生的收缩总量中自发收缩所占的比重较小，其值在一个月时为40 με，到五年之后也只达到100 με；而大量的试验研究表明，当碳化收缩在空气湿度为100%或小于25%时就会停止。在收缩总量中，干燥收缩所占的比例最大。

2.2 混凝土的徐变

混凝土的徐变是指在长期荷载作用下，混凝土随时间增长而产生的非弹性变形。经国内外学者的大量研究表明，徐变变形在加载初期增长显著，之后逐渐减慢，通常在5年～15年后达到极值。与收缩变形不同，混凝土徐变变形的累计值一般都很大，可达弹性变形的1倍～3倍。由于混凝土收缩变形与结构体系和外部荷载无关，其影响因素主要属于建筑材料学科的范畴，本文不予研究。而徐变变形除受到构件性质和环境条件的影响外，还与混凝土的加载龄期、应力水平和荷载作用时间有关。这部分影响因素与桥梁结构的设计关系密切，也是本文研究的重点。

3 索辅体系桥梁长期性能分析

三好桥作为索辅体系桥梁的代表，其长期性能可以反映这类体系的共性，因此研究三好桥收缩徐变效应对于掌握该类体系的特点，指导其设计具有现实意义。

评价索辅体系桥梁长期性能的好坏，主要借鉴常规斜拉桥和连续梁桥的方法，计算桥梁随成桥时间的增长而产生的主梁挠度、内力、拉索索力、塔顶水平位移等指标的变化。本文在计算过程中，根据桥梁设计资料，主梁混凝土加载龄期取28 d，以正装成桥时刻为基准，分别计算桥梁在建成0.5年，1年，2年，5年，10年，20年，30年时的结构状态。

3.1 主梁挠度分析

三好桥随建成时间的增长，主梁挠度在收缩徐变作用下逐渐增大，但是其趋势逐渐减小。成桥5年的下挠值占成桥30年下挠总量的70%，表明收缩徐变在结构建成初期效应明显。桥梁建成30年后，主梁最大挠度为25.51 mm，挠跨比为1/3 920，远小于连续梁桥收缩徐变引起的挠跨比。由此可得，三好桥的长期挠度小于连续梁桥，在建成多年后仍能保持良好的桥面线形。

3.2 塔顶水平位移分析

三好桥的桥塔是V形钢拱塔，用10对水平索联系在一起形成的受力整体，属于异型结构。桥塔变形、受力与水平索和斜索索力有着密切关系，而且长期运营过程中受力状态的好坏与成桥时刻桥塔受力状态有关。对于双钢拱塔结构，在设计、施工时通常在定位时给结构一定的预偏量，从而保证拉索按施工顺序张拉完成之后钢拱塔受力以拱形受压为主。通过计算MIDAS/Civil计算得到，三好桥合理成桥状态时两钢拱塔均向岸侧偏移，此时塔根弯矩为25 700 kN·m。徐变效应使索力降低且斜索力下降幅度大于水平索力，从而引起塔顶逐渐向江侧偏移，这对减小塔根弯矩具有积极的影响。经计算，成桥30年时，塔顶向江侧移动5.49 mm，塔根弯矩减小到22 930 kN·m，比刚成桥时减小10.8%。这一计算结果表明，对于类似三好桥这样的双拱塔结构桥梁，在施工控制的过程中，可以让桥塔在成桥时刻略微向岸侧偏移，在长期运营过程中，桥塔会慢慢恢复到最佳状态，使塔根受力达到最佳。

3.3 主梁内力分析

在徐变长期作用下，主梁正负弯矩均呈增大趋势，且随时间的增长，趋势逐渐减缓。徐变效应在桥梁建成初期对内力影响大，桥梁建成10年后，主梁弯矩值占成桥30年后弯矩值的90%以上，表明成桥10年之后，徐变对主梁弯矩影响基本完成。主梁跨中正弯矩对徐变效应的敏感度高于塔底支座负弯矩。成桥30年后，主梁跨中正弯矩比刚成桥时增大了47.2%，而塔底支座负弯矩只增大了26.1%。

4 索辅体系桥梁长期性能改善措施研究

对于索辅体系桥梁来说，收缩徐变对桥梁结构的长期影响主要表现在主梁弯矩的增加，而主梁挠度和拉索索力并没有太大的变化。经过研究混凝土加载龄期对长期性能的影响，本文发现通过控制主梁加载龄期来改善索辅体系桥梁的弯矩是不显著的，也是不现实的。经前文分析得到的只考虑混凝土收缩徐变效应的索辅体系桥梁长期性能良好，除主梁弯矩外，其余各项指标与成桥状态相比均变化较小。但是实际的桥梁结构在多种因素的共同作用之下，其长期性能是各种效应耦合作用的结果。根据当前的工程经验，可以预见到在实际的运营过程中，桥梁长期的内力和位移效应将会产生更加严峻的后果。因此，有必要研究索辅体系桥梁长期性能的改善方法。

1)设计阶段改善索辅体系桥梁长期性能的措施。通过之前的分析，已经得出收缩徐变将使主梁内力在既有的成桥状态下向不利方向发展。三好桥原设计成桥状态主梁在跨中区段为正弯矩，塔底支座区段为负弯矩。为遏制徐变的发展，减小主梁成桥弯矩是设计阶段可以采取的有效方法。本文以三好桥设计施工索力为基准，保持水平索设计施工索力不变，将斜索的设计施工索力增大10%，从而改善主梁的内力状态。

2)成桥后期改善索辅体系桥梁长期性能的措施。对于已经建成的索辅体系桥梁，在长期运营过程中拉索索力不断下降，且主梁内力和位移向对结构更加不利的方向发展，因此采用拉索二次张拉的方式改善其长期性能。三好桥成桥两年后徐变效应对结构的影响占成桥30年总量的50%左右，所以本文确定在成桥两年时进行拉索的二次张拉。由于计算模型考虑因素单一，在实际桥梁运营维护过程中应定期检测从而确定合理的二次张拉时间。二次张拉的目标索力以成桥索力为基准，并可略微增大。

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Research on long term performance of city bridge cable auxiliary system design

Zhao Song

(XiamenBranch,ZhuhaiTrafficSurveyandDesignLimitedCompany,Xiamen360012,China)

This paper discussed simply the structure characteristics of cable auxiliary system bridge, analyzed the induced mechanism of city bridge concrete shrinkage and creep, and taking Sanhao bridge as an example, researched the main beam deflection, top tower horizontal displacement, main girder internal force of the bridge, at the same time put forward the measures to improve the long-term performance of cable bridge auxiliary system, for reference.

bridge, cable auxiliary system, performance, concrete

2015-01-19

赵 松(1983- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0178-02

U445

A