预应力混凝土连续刚构桥跨中挠度影响因素分析

万金侠

【摘 要】本文通过对吉林至沈阳高速公路哈达湾大桥跨中挠度的调查，借助于桥梁博士建立全桥结构分析模型，分析混凝土收缩徐变、箱梁的刚度、预应力大小、单元初次加载龄期等对连续钢构桥跨中挠度的影响程度及跨中挠度的变化趋势。在施工和运营过程中一定要严格控制箱梁裂缝的开展，以防止箱梁刚度降低使跨中下挠幅度过大；单元初次加载龄期、预拱度设置偏差和施工误差、超载等因素都会引起跨中挠度的增大，但影响较小。

【关键词】连续刚构桥；跨中挠度；影响因素

近年来许多大跨度的连续刚构（连续梁）桥在运营过程中出现了较多的工程病害，严重影响到了结构的安全。其中，主跨跨中的下挠已成了一种普遍的现象。

对于桥梁而言，在设计阶段其跨度和截面尺寸均已确定。影响其跨中挠度的主要因素有：混凝土收缩徐变， 箱梁的刚度，预应力大小，单元初次加载龄期，预拱度设置偏差及施工误差、超载等因素。

1 哈达湾大桥工程概况

本文以吉林至沈阳高速公路哈达湾大桥为研究对象。桥梁上部为49m+98m+49m的三跨连续刚构，桥全长210m。桥面宽度布置为：1.50m（人行道）+4×3.5m（行车道）+1.50m（人行道），桥面全宽17m。设计荷载采用公路Ⅰ级（考虑重载车辆较多），人群荷载2.5kN/㎡。地震烈度Ⅶ度。箱梁采用单箱双室结构，为双向预应力结构，顶板宽17米，底板宽11米，外翼板悬臂长3m。

2 模型的建立

本次计算采用桥梁博士V3.0建立全桥结构分析模型，全桥共划分96个单元，其中1-76单元为箱梁单元，77-88单元为桥墩单元，89-96单元为挂篮单元。施工阶段划分为49个，计250天。

3 跨中挠度主要影响因素研究

3.1 收缩徐变对跨中挠度的影响

根据已建成通车的同等规模桥的有关资料，认为由于混凝土徐变所引起桥面下挠可达6～10cm，然而通常病害桥梁跨中下挠达到22cm，所以跨中下挠现象的发生，收缩徐变的影响因素不可忽略。为具体分析这10年间跨中挠度的变化情形：以桥梁建成10年后的跨中挠度为例，不考虑收缩徐变效应为213×10-5m，只考虑收缩效应为-522×10-5m，只考虑了徐变效应为948×10-5m，考虑收缩徐变效应为426×10-5m，累积效应为851×10-5m。可见，10年后的跨中挠度，考虑收缩徐变大约是不考虑收缩徐变情况下的两倍，即由混凝土收缩徐变引起的挠度大约占67%，可见收缩徐变效应不容忽视。

由以上分析看出，3年后收缩徐变效应引起的挠度值趋于平缓，10年后徐变引起的上拱值比3年后徐变引起的上拱值增加38.2%。分析计算结果与实际桥梁中出现的情况是吻合的。

3.2 预应力大小对跨中挠度的影响

为了研究纵向预应力大小对跨中短期挠度和长期挠度的影响，假设顶板预应力和跨中底板预应力分别减小20%和30%。预应力减小20%和30%的模拟方法是取张拉控制应力分别是原设计0.8倍和0.7倍，即假设张拉控制应力分别取为0.8×0.75×1860Mpa=1116Mpa和0.7×0.75×1860Mpa=976.5Mpa，计算结果当跨中底板预应力减小30%时，成桥时跨中上拱值减小的百分比为49.03%，三年徐变后跨中挠度占挠度增加量的百分比为5.29%。当顶板预应力减小30%时，成桥时跨中上拱值减小的百分比为6.25%，三年徐变后跨中挠度占挠度增加量的百分比为17.8%。由此可见，跨中底板和顶板预应力大小对跨中挠度均有较大影响，顶板预应力大小对跨中下挠值的影响更大一些，而底板预应力大小对跨中上拱值的影响更大一些。所以增加底板束控制跨中下挠的效率最高，可通过增加底板束来控制跨中下挠。

顶板预应力减小30%时，跨中应力仍然满足规范的要求，无论是施工阶段还是成桥阶段都没有超过容许值。但此时竖向预应力一定不能发生变化，若竖向预应力减小或损失过大，对挠度影响不大，但会使主拉应力超出规范的限制。

3.3 箱梁刚度对跨中挠度的影响

通常跨中下挠与箱梁底板开裂、腹板出现斜裂缝是并存的，而且二者是相互影响、相互加剧的。跨中下挠使箱梁底板受拉，引起底板开裂箱梁底板开裂、腹板出现斜裂缝使结构的刚度降低，进一步加剧了跨中下挠。为了研究箱梁底板开裂、腹板出现斜裂缝引起结构刚度降低对跨中挠度的影响，下面用混凝土弹性模量降低的办法来模拟结构刚度的降低。现假设跨中附近两侧箱梁出现较多裂缝，分别考虑这些节段的刚度降低20%，30%，50%，弹性模量分别取原设计的0.8倍，0.7倍和0.5倍，具体取值分别为：

0.8×34500=27600MPa，0.7×34500=24150MPa，0.5×34500=17250MPa。

从计算结果可以看出，跨中附近箱梁刚度的降低对跨中的上拱值和下挠值均有一定程度的影响，当刚度降低20%，成桥时和三年徐变后跨中上拱值分别增加11.8%和0.51%，成桥时上拱程度大于三年徐变后上拱程度；当刚度降低30%，成桥时跨中上拱值增加18.75%，三年徐变后跨中下挠值增加3.14%，成桥时上拱程度大于三年徐变后下挠程度；当刚度降低50%，成桥时跨中上拱值增加35.4%，三年徐变后跨中下挠值增加32.18%，成桥时上拱程度大于三年徐变后下挠程度。

由此可见，箱梁刚度的降低，对上拱值的影响程度要大于对下挠值的影响程度。

4 结语

通过对新建哈达湾大桥建立全桥模型进行总体分析，主要结论如下：

（1）混凝土收缩徐变对连续钢构桥跨中挠度影响非常之大，10年间跨中出现的挠度值由混凝土收缩徐变引起的大约占2/3，收缩徐变引起的挠度大部分在前3年中发生，而3年后收缩徐变效应引起的挠度值趋于平缓。

（2）跨中底板和顶板预应力大小对跨中挠度均有较大影响，顶板预应力大小对跨中下挠值的影响更大一些，而底板预应力大小对跨中上拱值的影响更大一些。

（3）跨中附近箱梁刚度的降低对跨中的上拱值和下挠值均有一定程度的影响，对上拱值的影响程度要大于对下挠值的影响程度，所以在施工和运营过程中一定要严格控制箱梁裂缝的开展，以防止箱梁刚度降低使跨中下挠幅度过大。

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[责任编辑：杨玉洁]