在役大跨径连续刚构桥梁下挠影响因素敏感性分析

杨威

摘要：在役大跨径连续钢结构桥梁可以保证车辆稳定行驶，同时具备较强的跨越能力，进一步产生广泛的应用范围。但是，由于认知存在一定约束，相应增加了投放运营时间，从而引发相对严重的下挠问题，降低车辆行驶的舒适性，迫切需要全方面分析敏感性因素，有效提高桥梁的可靠性。

关键词：大跨径连续钢构；桥梁；下挠；敏感性

大跨径连续钢结构桥梁有坚固的墩梁，便于开展施工，较强的跨越能力及结构性能较好，大规模推广应用在高速公路中。随着不断增加的运营时间，该类桥梁容易发生下挠问题，甚至超出设计预测范围，这也是桥梁结构的普遍问题。怎样对病害成因合理分析，并最大程度地降低损害程度，需要设计人员客观进行分析。

一、影响结构下挠的因素

通过分析桥梁结构受力特点可知，大跨钢结构挠度具体包括两部分整体作用方向相反的均衡结果。一是结构自身具备的恒载与活载功能，另一是预应力系统产生的作用。因此预应力效应带来的变形与荷载共同导致构件变形。经过分析可知，梁体刚度、外荷载效应、混凝土徐变等是对墙体挠度造成影响的因素，因此可能形成下挠的因素包括：第一，混凝土开裂的截面一定程度减轻了刚度，快速降低的梁体刚度相应提高了后阶段挠度；第二，迅速降低的预应力，一定程度上减少上拱变形；第三，开裂截面宽度明显超出规定数值，迅速降低截面刚度，相应加大几何变位；第四，运营过程中梁体超载达到设计负荷。这些影响结构长期挠度的因素表现出巨大随机性，因此还能彼此耦合。

二、建立结构模型

本文以某在役高架桥跨中下挠作为项目背景，经过构建结构模型，对各种参数影响情况综合分析，进一步掌握下挠的關键原因。

高架桥持续刚孔为60m+90m+60m，边孔设置的连续梁是35m，桥梁整体长度为280m。上部选择单箱单室箱梁结构，墩顶箱梁高度5m，跨中箱梁高度2m，通过平衡悬臂浇筑法开展操作。

在对结构进行建模时，在施工环节采取的悬臂浇筑施工技术，使用挂篮处理施工。结合全桥施工特点，科学划分施工流程，并结合具体程序分阶段落实。全桥共计355个单元，362个节点，每个T形梁一侧划分为0-28#共计29个节段。

三、敏感性分析

科学选择8#墩两侧边跨与主跨各节段截面计算与之对应的挠度数值。

（一）结构刚度

当预应力难以消除外部荷载产生的拉应力时，开裂形成三个效应，一是开裂以后快速降低的梁体截面惯矩，减轻了梁体刚度，增大变形，同时一部分裂缝还可能引发刚体转动，引发变形。

材料弹性模量与截面参数共同影响截面刚度，设计好尺寸参数通常不会发生改变，但混凝土材料表现出时效性，容易改变弹性模量，这对超静定结构来讲，存在有次应力，影响结构挠度更大的因素是弹性模量。在后期运行中结构由于不断发展的裂缝而持续扩散，直接降低了结构刚度，有效增加了跨中挠度。采取结构模型对弹性结构模量有效降低的方法综合模拟结构整体刚度。

主梁混凝土使用C50，弹性模量规范数据为3.45×104MPa。对折减混凝土弹性模量科学计算，当不改变余数时分析影响主梁线形的情况。通过分析计算结果可知，不断降低刚度的同时扩大边跨与主跨下挠。当减少25%刚度时，下挠最明显的是边跨23#。增加了2.82cm。由于幅度增大明显可知下降刚度较大程度影响了持续钢结构桥梁挠度[1]。

（二）预应力损失

在连续钢构中，主梁借助预应力钢束张拉力对自重与荷载达到平衡目标，从零号块施工开始，预应力一定程度发挥了钢束功能，导致主梁失去拉应力。在大跨径连续钢结构中，随着逐步延长的长度，相应增加了悬臂长度，无形之中扩大了自重，改变了弯曲应力，此时，发挥关键作用的是预应力。张拉预应力钢筋中形成的有效预应力在计算裂缝宽度时发挥了决定性作用。若对其低估，则难以彰显自身功能；若对其高估，则容易损坏构件。若管道压浆形成空隙并发生离析浆体现象，水中存在预应力束，增加了锈蚀出现的几率，预应力严重短缺。

在大跨度连续钢结构中，对下挠来讲，纵长束预应力发挥了巨大作用，并随着预应力的增加而增大损失。高架桥利用三相预应力系统，预应力钢束纵向有460束。在运营桥梁中，相应增加了纵向预应力损失，逐步缩小混凝土承受的压力，如此增加了桥梁跨中挠度。纵向预应力操作张拉控制应力为1251.6MPa。利用折减对挠度科学计算。通过计算了解到，不断增加预应力损失，相应增大了边跨和主跨挠度。当折减纵向预应力时，边跨22#块形成明显下挠。可以发现，纵向预应力损失一定程度影响了桥梁挠度[2]。

（三）环境温度

调节温度，通过模型对连续刚构桥在不断改变温度情况下的挠度进行计算。经过计算可知，当持续降低环境温度时，边跨挠度不会出现明显改变，相应增大了主跨挠度。当降低温度20℃时，0#块边跨形成明显的下挠。

温度荷载对大跨径预应力混凝土梁桥变形的影响包括常年温差与日照温差，通过模型的构建，对温度影响下挠情况整体分析。

（四）混凝土收缩徐变

收缩是指混凝土内部存在的水泥胶体游离水被迅速蒸发，从而缩小自身体积的现象。徐变是指在荷载不断影响下，随着时间的增加结构变形也持续加大。混凝土收缩与应力没有任何联系，具体涉及自发、干燥和碳化收缩。自发收缩是水泥在水化反应之前与水的体积明显比反应以后得到的混合物小，水分不会出现改变。混凝土中，包括自由水与吸附水，当自由水逐步丧失时，不会出现收缩，当烦躁问题加重吸附水消失时，容易发生收缩现象。不同的徐变和收缩，不会牵涉到构件应力，在不断应力影响下形成徐变。其中渗出理论、塑性流动理论等都会牵涉到徐变问题[3]。

徐变容易增加结构变形程度，针对超静定结构来讲，赘余约束容易限制变形，随着混凝土不断延伸的徐变而改变结构内力，容易重新分布结构内力。徐变的速度会伴随时间而持续递减，通常在5-20年之后出现极限徐变数值，但多数在1-2年之内完成徐变。

经过计算可知，由于不断增加运营时间，在1-2年之内收缩和徐变较大程度影响主跨挠度。伴随运营时间的延长，相应增大了主跨挠度，相应减少了边跨挠度。当运营桥梁10年以后，挠度最明显的是19#块到21#块。结合计算主边跨结果，随着持续延长的运营时间，通过收缩和徐变产生的变化也会逐步缩小，并表现出较强的稳定性[4]。

梁体开裂以后，结构应力重新分布，相应增加顶底板的应力差，而当加大压应力时，除了弹性应变及对应徐变之外，相应增加徐变系数。随着不断加剧的徐变也会增加预应力损失，相继引起的应力分布反而加大徐变效应。

因此，混凝土开裂与预应力、收缩徐变之间形成十分强烈的耦合效应。即混凝土开裂对断面应力状态造成改变，从而影响内力分布。徐变特点与预应力也会改变影响结构的情况，反之对结构开裂造成干扰。混凝土徐变收缩、预应力损失和开裂三种因素交叉影响，彼此耦合，严重影响结构。

（五）自重变化

自重是造成梁桥长期变形的关键荷载，理论上分析，自重误差不会形成较大范围，但从实际情况分析，大跨径预应力混凝土梁桥无法忽略自重问题。

自重的增加导致原来预应力配置严重不足，相应增加了长期变形。造成自重增加的原因有两点，一是混凝土模板变形带来的超重，二是不平整的桥面通过混凝土找平造成的意外超重。由于桥梁上部结构自重是影响下挠的关键因素，结合施工情况，澆筑梁体时由于现浇段超重，可以对其影响下挠情况分析。结合实桥材料、构建模型，分别假设现浇混凝土超重并对其数值计算。对比下挠敏感性，并对影响情况科学分析。

桥面铺装厚度是增加恒载的关键因素，由于施工存在较大误差，部分桥线形产生的差异会经过桥面厚度调整而达到平顺桥面的目的，这样将会增加桥梁恒载进一步影响下挠。桥面铺装越厚，初期上拱量越小，后期下挠数值越大，不利于控制桥梁线形。把桥面铺装厚度转换为重量，若出现超重，则需要根据超重考虑，对跨中挠度进行科学计算。

（六）内支点负弯矩预应力筋配置

在设计混凝土桥梁时仅根据上缘混凝土不会产生拉应力控制弯矩预应力筋数量，未全面思考负弯矩应力对控制徐变下挠的作用。负弯矩预应力可以对挠度数值有效抵消。

通过分析预应力沿截面高度分布情况可知，支点负弯矩预应力不足会造成混凝土桥梁下挠。在思考下挠影响因素时应整体考虑应力筋配置，并紧密联系实际情况。

（七）施工因素

1.合拢误差对下挠的影响

当前大跨径预应力混凝土连续桥梁施工一般都使用平衡悬臂浇筑方法，则会出现两个大悬臂合拢成桥的问题。若悬臂施工形成良好的线形控制，则在最终合拢时，两个合拢口基本处在平顺线形上，结合施工正常合拢可知：若两个合拢口存在较大差异，则需要利用合理方法强制合拢，在较高一侧箱梁上施加强制力，促使两个合拢口得到规定标准。分析说明合拢误差影响结构线形程度不大，关键是由于针对长期变形开展分析，强制合拢以后除去压重相当于增加了一个向上的力，因此挠度明显小于正常合拢。但由于悬臂线形不平顺，在铺装桥面过程中需要合理调整，特别是跨中部分，较厚的桥面铺装容易影响下挠，需要给予全面考虑。

2.施工质量

对于大跨径桥梁下挠来讲，施工质量产生较大范围的影响，连续钢结构的下挠除了施工质量为题之前，还有一部分无法预测的因素，比如追赶施工时间，技术人员考虑不全面，难以准确认识下挠，简化处理预应力，挂篮变形和温度变化等。联系钢结构桥梁一般都会产生较大挠度，除了施工因素之前，也存在设计原因，当前很多桥梁设计的预拱度都不大，自然表现出挠度问题。

随着我国社会经济的可持续发展，一定程度改善了交通问题，快速增加的交通量，不少桥梁的实际交通量明显超出了设计量，很多超重和超载车辆行驶在桥梁上，导致不少桥梁运行超负荷，长期如此，难以避免发生开裂现象，进一步降低了梁体截面刚度，造成跨下挠。因此在管理运营过程中，对超速和超载车辆定期检测，并形成对应方案，紧密关注桥梁的应用状况。

四、结束语

本文经过科学分析影响在役大跨径桥梁下挠的因素，从而把握其敏感性，其中，不断降低的结构刚度、预应力损失以及环境温度和徐变等都会影响下挠，发挥决定性作用的是结构刚度，只有对这部分因素有效把握，才可以提升桥梁运营水平，保证建设质量。

参考文献：

[1]马诚，陈惟珍.PC桥梁预应力和徐变耦合时变效应的数值模拟[J].桥梁建设，2016（3）：77-82.

[2]刘文华，鄢芳华.大跨度连续刚构桥梁的地震响应分析[J].公路，2017（2）： 107-110.

[3]解文成，李子特，徐艳昭.混凝土徐变对连续刚构桥长期下挠的影响研究[J].河南城建学院学报，2016（1）：4-7.

[4]熊英.连续刚构桥跨中下挠影响因素分析及防治措施研究[J].公路交通科技，2016（8）：262-264.

（作者单位：中交第二公路工程局有限公司）