多跨连续梁桥支座预偏量的影响因素研究

李登武 何振华

【摘要：】为研究收缩徐变、合龙顺序、合龙温度和弹性模量对多跨连续梁桥支座位移的影响和发展变化规律，确保混凝土浇筑质量，文章以在建的丹江水库多跨连续梁桥为工程背景，利用有限元计算软件建立全桥模型，对影响支座预偏量的主要因素进行计算分析，得出不同工况下的支座预偏量值。分析结果表明：支座位移受结构龄期的增长和外界环境湿度变化影响明显;预应力加载时间、合龙顺序、合龙差变化和混凝土弹性模量波动对支座预偏量影响均较小，实际工程中应根据实际施工情况合理地设置支座预偏量。

【关键词：】多跨连续梁桥;支座预偏量;收缩徐变;桥梁合龙

U448.21+5A521724

0 引言

多跨连续梁桥的施工周期较长，梁体受收缩徐变、环境温度和湿度影响会产生较大的纵向变形[1]。合理的支座预偏可有效地使支座滑移量符合设计要求，保证支座正常工作。

为更好地研究多跨连续梁桥支座位移发展变化规律，避免支座因梁体位移过大而导致偏心受力甚至脱空，本文依托在建水库多跨连续梁桥项目，利用有限元计算软件，以结构本身因素（预应力、弹性模量、混凝土收缩徐变）、施工合龙顺序和合龙温差为主要对象进行研究，分析计算出合理的支座预偏量值。相关研究方法和研究结论可指导该桥现场实际施工，同时也为同类型连续梁桥支座预偏量分析和取值提供参考。

1 工程概况

龙山大桥位于丹江口水库汉江干流上，连接江北凉水河镇和江南龙山镇，距离丹江口水利枢纽坝址（水路）30 km。大桥上部主跨为（75+4×130+75）m预应力连续梁桥体系，按双向四车道设计，桥面总宽24.5 m;桥梁下部结构采用实体板墩、钻孔灌注基础桩，桥台采用重力式“U”型桥台。全桥有限元模型轴视图如图1所示。

2 收缩徐变对支座预偏量的影响

在桥梁设计中，混凝土材料的收缩徐变引起的不利影响是不可忽略的[2]。本节主要从环境相对湿度和加载龄期两个因素进行计算分析，研究收缩徐变对支座预偏量的影响。

2.1 相对湿度对支座预偏量的影响分析

混凝土浇筑与养护过程中环境湿度变化对结构后期位移存在较大影响。本文结合现场实际施工情况，环境相对湿度分别取50%、60%、70%、80%、90%五种工况，其他结构设计施工参数均保持不变。环境湿度变化对支座预偏量位移影响计算结果如图2和表1所示。

由图2和表1可知，在其他条件不变的情况下，支座预偏量受环境相对湿度变化影响明显，支座预偏量随环境相对湿度的增高而增大。以相对湿度70%为参考值，在增加或减少10%和20%时，支座最大预偏量变化分别为11.1 mm和-17.7 mm。

2.2 加载龄期对支座预偏量的影响分析

在保证工程质量和工期的前提下，单个梁段施工周期至少保证7 d左右，待混凝土浇筑5 d后开始张拉预应力束。本文结合现场实际情况，单个悬臂施工阶段分别考虑8 d、10 d、12 d，预应力张拉时间分别为第5 d、第7 d、第9 d，分别考虑成桥时、成桥1年、成桥3年、成桥5年、成桥10年、成桥15年支座累计位移值，其他结构设计施工参数保持不变，混凝土湿度取70%。预应力荷载加载计算结果如图3和表2所示，龄期计算结果如图4和表3所示。

由图3和表2可知，预应力张拉时间变化所引起的支座预偏量发展曲线非常接近，最大相对位移出现在加载龄期的第5 d，为2.3 mm，说明施工过程中预应力加载时间变化对支座预偏量影响相对较小。由图4和表3可知，通过对成桥时、成桥1年、成桥3年、成桥5年、成桥10年、成桥15年这六个龄期仿真计算分析，可得出离8#墩固定支座越远，预偏量随龄期的增长变化越大，但后期预偏量变化速度随龄期逐渐减小的结论。

湿度为70%且预应力荷载作用下支座预偏量取值如表4所示。

3 合龙顺序对支座预偏量的影响

多跨连续梁桥有多种合龙顺序，如从边跨至中跨合龙、从中跨至边跨合龙、全桥一次合龙等[3]。本桥根据原设计要求，采用次边跨合龙→边跨合龙→中跨合龙的合龙施工方式。随着施工进一步展开，后因施工工期等因素导致合龙顺序变更，拟采用边跨合龙→次边跨合龙→中跨合龙的合龙施工方式。本桥先后采用的两种施工合龙方案实为常见连续梁桥（连续钢构）典型合龙方案。不同合龙方案计算结果如图5和表5所示。

由图5和表5可知，在其他条件不变情况下，支座位移预偏量受合龙顺序影响，相同墩号处先合龙段较后合龙段位移稍大，两种合龙顺序的位移变化曲线随龄期的发展基本平行，说明合龙顺序调整对支座前期位移影响较大。两种合龙方案引起的边跨支座预偏量为次边跨支座预偏量2.28倍和2.06倍，10年成桥后的边跨合龙较次边跨合龙最终预偏量要小3.3 mm。因此，在满足现场实际施工条件下，采用边跨合龙→次边跨合龙→中跨合龙的施工合龙方式对支座预偏量设置是较为有利的。

4 合龍温度对支座预偏量的影响

丹江口境内属北亚热带季风气候，夏季炎热，春秋温和，多年平均气温在14.3 ℃～15.9 ℃。根据现场施工条件拟定于秋季施工，选择在较低温度时合龙，平均温度取15 ℃。理论上施工工程中温度恒定时对主梁线性和支座预偏量基本不产生影响，而实际合龙过程中往往和设计温差存在一定差距，从而导致支座预偏量发生变化。

结合实际施工情况，混凝土湿度为70%，合龙设定温度为15 ℃，考虑合龙温差变化为-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃五种工况，其他结构设计参数均保持不变。合龙温差变化和成桥后温差变化对支座预偏量的影响计算结果如图6、图7所示，支座预偏量方向如表6所示。

由图6和图7可知，在其他条件不变的情况下，施工合龙温差对支座预偏量影响较小，合龙温差变化为±5 ℃、±10 ℃时的预偏量与参考温度预偏量基本重合。成桥后温差变化为±5 ℃时预偏量与参考温度预偏量基本重合，温差变化为±10 ℃时存在较小波动。结合表6可知，温差增大为10 ℃时，支座预偏量最大值为5.76 mm，出现在边跨支座处。温差引起边跨支座预偏量为次边跨支座预偏量的1.88倍。

5 弹性模量对支座预偏量的影响

工程实践表明，试验所测弹性模量往往大于混凝土弹性模量设计值[4]。本文结合现场实际情况，对现场原材料进行配合比试验，测得C55主梁混凝土第5 d、第7 d、第10 d、第28 d龄期的弹性模量分别为3.42×104 MPa、3.87×104 MPa、4.10×104 MPa、4.77×104 MPa，拟合成弹性模量发展曲线如图8所示。

为讨论混凝土弹性模量变化对支座预偏量的影响，一方面计算分析按设计弹性模量的-10%、+10%、+20%、+30%取值计算，相关计算结果如图9所示;另一方面根据实验室前期混凝土试块试验确定混凝土弹性模量，并考虑合龙温差>10 ℃、混凝土湿度取70%且按先边跨合龙方式进行综合分析得出支座最终预偏量以指导实际施工，计算结果如图10、表7所示。

由图9和图10可知，在其他条件不变的情况下，弹性模量变化对支座预偏量影响相对较小;6#和7#墩墩顶支座预偏量在前三年上升最明显，后期支座预偏量变化缓慢。结合表7可知，在考虑合龙温差为10 ℃、边跨合龙和环境温度为70%时，成桥十年后6#墩和7#墩最大位移影响量分别为54.74 mm、26.42 mm，且温差引起边跨支座预偏量为次边跨支座的2.24倍。

6 结语

由以上数值参数分析可得出以下几点结论：

（1）支座预偏量受收缩徐变影响最大，其中前三年影响最为明显。考虑到第10～15年的混凝土收缩徐变并未停止，只是发展相对缓慢，在大跨径桥梁设计过程中应适当考虑十年后加载龄期变化对支座预偏量的影响。

（2）环境相对湿度对支座预偏量变化影响明显。环境相对湿度增大20%时对其10#墩支座预偏量考虑10年龄期时的最大影响为17.7 mm;预应力张拉延期2 d或滞后2 d对后期预偏量变化影响不明显。

（3）多跨连续梁桥合龍时，上述两种常见合龙方案后期随龄期变化、收缩徐变影响基本相同，先边跨合龙相比先次边跨合龙支座最终预偏量值略小。

（4）合龙温差和混凝土弹性模量的波动对支座预偏量存在一定影响，但影响值相对较小。当合龙温差小于合龙参考温度±5 ℃，弹性模量波动小于设计10%，其他条件不变时可正常施工。

（5）支座预偏量受现场实际施工影响较大，支座预偏量设置终值应结合主桥合龙顺序、合龙温差、实测弹性模量来综合考虑计算，本文表7为同类型桥梁支座预偏量计算和取值提供依据。

参考文献：

[1]肖星星.年温差对多跨长联桥的影响分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2008（4）：639-644.

[2]周 履，陈永春.收缩 徐变[M].北京：中国铁道出版社，1994.

[3]渠广镇.多跨长联PC连续梁桥施工控制关键问题研究[D].西安：长安大学，2010.

[4]林 强.连续梁桥悬臂现浇施工关键技术与控制方法研究[D].南京：东南大学，2016.