大跨径预应力混凝土箱梁桥长期挠度分析

郝章喜，吴雪城，彭　鹏，王建秋

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



大跨径预应力混凝土箱梁桥长期挠度分析

郝章喜，吴雪城，彭鹏，王建秋

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

混凝土的收缩徐变是影响大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度最主要的因素之一。文章分析了在不同应力条件下混凝土收缩徐变对箱梁结构的长期挠度方向和大小的影响，并以贺街大桥为工程背景，建立了平面杆系有限元模型，通过优化设计结构应力条件使徐变挠度向上，从而达到减小长期挠度的目的，为解决大跨径预应力混凝土箱梁桥存在的长期下挠问题提供参考。

大跨径；预应力混凝土箱梁；混凝土徐变；长期挠度；应力差；预应力损失

0　引言

预应力混凝土梁桥是世界上应用最为广泛的一种桥梁类型，随着高强混凝土和高强钢材的不断发展，大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥也得到了长足的发展，但是在使用过程中普遍存在主梁下挠过大的问题，如跨径195 m的美国Parrotts大桥主跨下挠635 mm；跨径270 m的虎门大桥辅航道桥建成6年后主跨下挠222 mm，而且尚未停止[1]。

影响大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度最主要的因素是混凝土的收缩徐变和预应力钢束的应力损失，预应力钢束的应力损失对长期挠度的影响主要由材料的性能和施工工艺决定，而混凝土收缩徐变则主要由材料性能、工程环境和应力条件决定。

本文重点分析混凝土收缩徐变在不同应力条件下结构的长期挠度方向和大小，并以贺街大桥为工程背景，建立了平面杆系有限元模型，通过优化设计结构应力条件使徐变挠度向上，从而达到减小长期挠度的目的，其研究成果将为解决大跨径预应力混凝土箱梁桥存在的长期下挠问题提供参考。

1　混凝土收缩徐变对箱梁长期挠度的影响分析

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)附录F，混凝土的收缩应变及徐变系数与工程环境和加载时间有关，与混凝土应力条件无关。对于线性徐变理论，徐变应变εc=φ(t，t0)εe，φ(t，t0)为徐变系数，εe为混凝土弹性应变，εe=σc/Ec，则εc=φ(t，t0)σc/Ec，σc为混凝土弹性应力(混凝土的应力不超过极限强度的40%～50%时)，由徐变应变公式可知：徐变应变与弹性应力成正比，若改变箱梁上下缘弹性应力，将改变上下缘的徐变应变，从而改变结构挠度的方向和大小。

为了研究上下缘应力差对挠度方向和大小的关系，笔者采用桥梁结构分析系统BSAS建立30 m简支梁模型(非预应力结构)，简支梁采用矩形断面，梁高1.6 m，宽1 m，采用C40混凝土，环境相对湿度70%，混凝土加载龄期7 d，在简支梁两端通过施加弯矩和轴力来改变上下缘的应力状态。调整上下缘应力差值，跨中长期挠度计算结果如表1所示，当应力差为1 MPa时跨中长期挠度如图1所示。

表1上下缘应力差跨中长期挠度值表(单位：mm)

时间-5MPa-3MPa-2MPa-1MPa0MPa1MPa2MPa3MPa5MPa成梁11.06.64.42.20.0-2.2-4.4-6.6-11.01年20.112.18.04.00.0-4.0-8.0-12.1-20.12年22.113.38.84.40.0-4.4-8.8-13.3-22.13年23.514.19.44.70.0-4.7-9.4-14.1-23.55年25.415.310.25.10.0-5.1-10.2-15.3-25.410年27.416.411.05.50.0-5.5-11.0-16.4-27.430年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.050年28.016.811.25.60.0-5.6-11.2-16.8-28.0

注：应力差=上缘应力-下缘应力，表中挠度为竖向位移，向下为正

图1　应力差为1 MPa时跨中长期挠度曲线图

从表1计算数据中可得出：(1)应力差为0 MPa时，长期挠度为0，说明长期挠度与简支梁的绝对应力无关；(2)跨中挠度值与应力差值成正反比例关系，当上缘应力大于下缘应力时，长期挠度向下，反之则向上。

由图1可知简支梁成梁后一年挠度增加速度较快，之后基本按线性增加，10年后挠度增加变得缓慢，30年后挠度基本不再增加。

2　工程概况

拟建贺街大桥属于贺州至富川一级公路莲塘支线上的主要大桥，位于广西贺州市八步区贺街镇西南面，跨越贺江，大桥主桥跨径布置为(60+104+60)m，采用预应力混凝土连续梁桥，单幅桥面宽12 m，桥型布置如图2所示。主桥箱梁采用C50混凝土，三向预应力体系，全桥共144束纵向预应力钢束，钢束布置如图3所示。

图2　贺街大桥桥型布置图(单位：cm)

图3　主桥箱梁分段及纵向预应力布置图(单位：cm)

3　有限元计算模型

采用桥梁结构分析系统BSAS对主桥箱梁进行模拟计算，全桥由77个节点和76个单元组成，两个桥墩墩顶节点号为22和56，跨中节点号为39，环境相对湿度80%，混凝土加载龄期7 d，计算模型如图4所示。

图4贺街大桥主桥有限元计算模型图

4　计算结果

4.1箱梁恒载应力

成桥箱梁上下缘恒载应力如图5所示，从图5可以看出：上下缘应力均为压应力(正值)，上缘最大应力为10.83 MPa，在主跨L5/8附近；下缘最大应力为9.66 MPa，在主跨跨中，上下缘应力最大值均未超过极限强度的40%；上下缘应力差除边跨现浇段和跨中合龙段附近为负值，其他均为正值，最大应力差值为5.96 MPa，最小应力差为-4.73 MPa。

图5　成桥箱梁上下缘应力及应力差曲线图

运营1年、5年、10年和30年时间上下缘应力变化情况如图6～7所示，从图中可以看出：运营1年和5年上缘应力降低比较快，运营30年应力最大降低1.0 MPa，主要是由箱梁预应力损失引起；下缘应力除现浇段和跨中合龙段附近应力减小外，最大减小0.48 MPa，悬臂浇筑梁段基本都有所增加，最大增加0.56 MPa，主要是恒载内力不变上缘应力减小后引起的下缘应力增加。运营30年上下缘应力差如图8所示，悬臂浇筑梁段应力差均有减小，最大减小1.59 MPa，边跨现浇段和跨中合龙段有所增加，增值较小。

图6　成桥后箱梁上缘应力变化图

图7　成桥后箱梁下缘应力变化图

图8　运营30年上下缘应力差变化图

4.2箱梁长期挠度

计算得桥梁自成桥到运营1年、5年、10年和30年时间箱梁挠度见图9，成桥后箱梁挠度变化见图10。从图9～10可以看出：成桥主跨跨中挠度仅为-6 mm，为跨径的1/173 33，箱梁刚度较大，运营1年和5年挠度变化比较快，与应力变化比较大相关，运营10年后跨中挠度减小到-2 mm，之后不再减小，运营30年挠度又增加至-3 mm。

图9　箱梁长期挠度图

图10　成桥后箱梁挠度变化图

4.3箱梁长期挠度分析

为了研究各因素对长期挠度的影响，对混凝土收缩徐变、预应力损失引起长期挠度的结果进行分别计算，运营1年、5年、10年和30年混凝土徐变引起的挠度增量如图11所示，预应力损失(含混凝土收缩徐变引起的损失)引起的挠度增量如图12所示，混凝土收缩应变引起的长期挠度几乎为零，收缩应变主要体现在对预应力钢束的应力损失引起的挠度；运营30年箱梁挠度增量组成如图13所示。

图11　运营期混凝土徐变引起箱梁挠度增量图

图12　运营期预应力损失引起箱梁挠度增量图

图13　运营30年箱梁挠度增量组成图

从图11可知，混凝土徐变引起的中跨挠度变化是向上的，增量规律同简支梁模型相同；而预应力损失引起的挠度增量是向下的，运营10年后增速变缓，但一直增加；运营30年总挠度主跨挠度增量仍然为正，说明主跨箱梁后期挠度徐变的增加量大于预应力损失的减小量。

徐变引起的挠度主要是由箱梁上下缘应力差引起的，成桥恒载上下缘应力差及运营30年徐变挠度增量如图14所示。

图14　成桥箱梁应力差及运营30年徐变挠度增量图

通过试算分析可知，主跨跨中附近梁段下缘应力大于上缘应力，墩顶至3 L/8梁段上缘应力大于下缘应力时徐变引起主跨挠度方向均为向上。本项目箱梁上下缘应力差的设置均吻合上述分析结果，徐变引起的挠度向上达到了12 mm，有效减小了跨中长期挠度的发展。

5　结语

大跨径预应力混凝土箱梁桥箱梁长期挠度主要由混凝土的收缩徐变和预应力钢束的应力损失引起，预应力损失引起的挠度可通过改进预应力钢束材料和张拉工艺而改善，混凝土收缩应变对长期挠度影响不明显，混凝土徐变引起的挠度可通过改变上下缘的应力差而改变挠度方向和大小，若徐变引起挠度向上，便可有效减小箱梁长期挠度。文章首次提出改善结构恒载上下缘应力差而改变徐变引起挠度方向，从而解决大跨径预应力混凝土箱梁桥存在的长期下挠问题，在同类桥梁设计中具有一定的参考价值。

[1]刘效尧，徐岳.梁桥(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

Long-term Deflection Analysis of Large-span Prestressed Concrete Box-girder Bridges

HAO Zhang-xi，WU Xue-cheng，PENG Peng，WANG Jian-qiu

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

The concrete shrinkage and creep is one of main factors affecting the long-term deflection of large-span prestressed concrete girder bridges.This article analyzed the impact of concrete shrinkage and creep on long-term deflection direction and magnitude of box girder structure under different stress conditions，and with Hejie Bridge as engineering background，it established the plane frame finite ele-ment model，making the creep deflection upwards by optimizing the design structure stress conditions，so as to achieve the purpose of reducing the long-term deflection，which provides the reference for sol-ving the existing long-term downward deflection problem of large-span prestressed concrete box-girder bridges.

Large-span；Prestressed concrete box-girder；Concrete creep；Long-term deflection；Stress difference；Prestress loss

2016-05-10

U441+.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.010

1673-4874(2016)06-0033-04

郝章喜(1981—)，工程师，主要从事公路与桥梁工程设计、咨询方面的工作;

吴雪城(1983—)，工程师，主要从事公路与桥梁工程设计、工程造价、咨询方面的工作;

彭鹏(1988—)，助理工程师，研究生，主要从事公路与桥梁工程设计、咨询方面的工作；

王建秋(1987—)，助理工程师，研究生，主要从事公路与桥梁工程设计、咨询方面的工作。