陳 欣，譚建領(lǐng)

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著我國(guó)高速公路及高速鐵路的快速發(fā)展，越來越多的連續(xù)梁橋被用于跨越既有線路、建筑物、河流、山谷等障礙物［1］。 因高速公路、高速鐵路對(duì)線路的平順性和穩(wěn)定性要求較高， 所以連續(xù)梁橋在施工過程中，對(duì)線形尺寸的精度要求較高。

目前，連續(xù)梁橋多采用掛籃懸臂施工方法，該施工方法施工工序多、施工要求高、體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，施工中的一些因素對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的線形會(huì)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致橋梁無法合龍，或者后期運(yùn)營(yíng)中影響行車舒適性，甚至橋梁的使用安全。 因此，了解連續(xù)梁橋施工參數(shù)對(duì)主梁線形的影響規(guī)律， 找出減少主梁線形變化的措施至關(guān)重要。 筆者試以某一高速公路上布置的三跨（83 m+150 m+83 m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋?yàn)榈湫屠C，分析不同參數(shù)對(duì)連續(xù)梁橋線形的影響，以期為同類橋梁的設(shè)計(jì)與監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

該橋主梁為單箱單室截面，按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，箱梁頂板橫向?qū)挒?2 m，根部高為10.8 m，邊跨及中跨合龍段梁高為3.8 m， 箱梁高度和底板厚度按1.8 次拋物線變化。 該橋采用掛籃懸臂澆筑施工方法，每個(gè)懸澆“T”構(gòu)縱向?qū)ΨQ劃分為20 個(gè)節(jié)段，邊、中跨合龍段長(zhǎng)均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)7 m。 每個(gè)橋墩墩身由兩片柔性墩組成，墩身高58 m。

1.2 主要建筑材料

主梁采用強(qiáng)度等級(jí)為C50 的混凝土，彈性模量Ec＝3.45×104MPa。 橋墩采用強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土，彈性模量為Ec＝3.25×104MPa。 預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φj15.2 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線， 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk＝1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為0.75fpk＝1 395 MPa，彈性模量Eh＝1.95×105MPa。 鋼絞線孔道采用預(yù)埋金屬波紋管。

2 有限元模型的建立

采用Midas／civil 建立該橋的有限元計(jì)算模型，如圖1 所示。主梁采用變截面空間梁?jiǎn)卧M，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力fcon＝0.75×1 860＝1 395 MPa。 橋墩上端與主梁采用彈性連接中的剛性連接， 下端與承臺(tái)固結(jié)。根據(jù)實(shí)際施工過程，整個(gè)連續(xù)梁模型共劃分了28 個(gè)施工階段、173 個(gè)單元、178 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 Midas／civil 有限元模型Fig.1 Midas/civil finite element model

3 不同參數(shù)對(duì)主梁線形的影響

3.1 混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)主梁線形的影響

該橋采用掛籃懸臂施工技術(shù)， 每一節(jié)段混凝土的澆筑會(huì)使主梁產(chǎn)生下?lián)希?預(yù)應(yīng)力的張拉會(huì)使主梁產(chǎn)生上撓。 隨著施工的不斷進(jìn)行，懸臂段越來越長(zhǎng)，主梁對(duì)于懸臂段混凝土的澆筑和預(yù)應(yīng)力的張拉越來越敏感。 因此，在橋梁施工前，應(yīng)分析混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)主梁線形的影響，在施工中加以控制，以避免誤差的積累，確保主梁的最終合龍。這里以5號(hào)墩上的懸臂施工段為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。圖2 和圖3 分別為5 號(hào)墩各懸臂施工節(jié)段混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉變形圖。

圖2 澆筑混凝土?xí)r各懸臂施工節(jié)段變形圖Fig.2 Deformation of each cantilever construction section of concrete pouring

從圖2 和圖3 可知：（1） 每一節(jié)段混凝土澆筑后，主梁均產(chǎn)生下?lián)?，且隨著懸臂段的增加，主梁下?lián)献冃瘟吭絹碓酱?。?dāng)澆筑20 號(hào)段時(shí)，混凝土澆筑導(dǎo)致的主梁懸臂端最大下?lián)狭窟_(dá)到了38 mm。 （2）每一節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后， 主梁均產(chǎn)生上撓，且隨著懸臂段的增加，主梁上撓變形量也越來越大。當(dāng)張拉18 號(hào)塊鋼絞線時(shí)， 主梁懸臂端上撓量最大為18 mm；張拉20 號(hào)、19 號(hào)塊鋼絞線時(shí)，主梁懸臂端上撓量分別為5.2 mm、9.8 mm。這主要原因是19號(hào)、20 號(hào)塊鋼絞線未布置頂板束。 由此可知，隨著懸臂段的增加，主梁的增長(zhǎng)，主梁對(duì)荷載的作用越來越敏感。因此，在施工中，對(duì)每一節(jié)段混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力的張拉都應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。另外，在施工中，不要將施工機(jī)具、施工用料放置在某一懸臂端，以免主梁發(fā)生不對(duì)稱變形。

圖3 預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)5 號(hào)墩各懸臂施工節(jié)段變形圖Fig.3 Deformation of each cantilever construction section of No.5 pier of prestress tension

3.2 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁線形的影響

該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，采用掛籃懸臂施工，分節(jié)段澆筑，金屬波紋管分節(jié)段定位、拼接。 施工過程中，因金屬波紋管彎曲、定位不準(zhǔn)、孔壁不光滑等原因，在張拉鋼絞線時(shí)，鋼絞線與孔道壁之間的摩擦?xí)a(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，彎曲的預(yù)應(yīng)力孔道會(huì)使鋼絞線對(duì)孔道壁的壓力增加， 從而產(chǎn)生更大的預(yù)應(yīng)力損失［2］。張拉設(shè)備、張拉環(huán)境、張拉人員的技術(shù)水平也會(huì)使預(yù)應(yīng)力張拉的實(shí)際值相對(duì)于設(shè)計(jì)值出現(xiàn)偏差。鋼絞線張拉后，因孔道壓漿不飽滿或漿體離析，導(dǎo)致鋼絞線銹蝕而減小有效面積，也會(huì)造成有效預(yù)應(yīng)力損失［3］。 以成橋狀態(tài)時(shí)預(yù)應(yīng)力損失5%、10%、20%對(duì)主梁線形的影響為例進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁線形影響曲線Fig.4 Influence curves of prestress loss on main beam linear shape

從圖4 可知： 成橋時(shí)， 相對(duì)于無預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力損失會(huì)使梁體產(chǎn)生下?lián)?，且預(yù)應(yīng)力損失越多，主梁下?lián)狭烤蜁?huì)越大。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到20%時(shí)，主梁最大相對(duì)下?lián)狭繉⑦_(dá)到15 mm。

預(yù)應(yīng)力損失會(huì)使主梁產(chǎn)生下?lián)?，?dǎo)致梁體開裂，影響橋梁安全。但預(yù)應(yīng)力損失又不可避免。為減少預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）在鋼絞線張拉前，應(yīng)對(duì)千斤頂進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定， 并對(duì)張拉人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)。 在張拉過程中， 須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行張拉。（2）在金屬波紋管安裝、拼接過程中，定位要準(zhǔn)確，所選波紋管應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。張拉前，應(yīng)進(jìn)行摩阻試驗(yàn)，預(yù)估預(yù)應(yīng)力損失。 在張拉時(shí)，應(yīng)按照“設(shè)計(jì)值+預(yù)估損失值”進(jìn)行過程控制，并遵循“油表讀數(shù)為主，伸長(zhǎng)量測(cè)量為輔”的原則。（3）鋼絞線張拉完成后，預(yù)應(yīng)力管道壓漿應(yīng)飽滿，所用的漿液應(yīng)符合要求。

3.3 混凝土自重對(duì)主梁線形的影響

該橋主梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50， 考慮鋼筋參與作用，設(shè)計(jì)容重取26 kN／m3。 在混凝土澆筑過程中， 因模板變形、 主梁截面變化或混凝土攪拌不均、振搗不實(shí)等原因，會(huì)造成每一節(jié)段主梁的自重相對(duì)于設(shè)計(jì)值出現(xiàn)偏差。取成橋狀態(tài)時(shí)，混凝土自重增加或減少5%對(duì)主梁線形的影響進(jìn)行分析， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 混凝土容重變化對(duì)主梁線形的影響曲線Fig.5 Influence curves of concrete volume weight on main beam linear shape

從圖5 可知： 當(dāng)混凝土單位體積重量相對(duì)于設(shè)計(jì)值減小時(shí)，主梁會(huì)產(chǎn)生上撓，最大相對(duì)上撓量達(dá)到13 mm。 當(dāng)混凝土單位體積重量相對(duì)于設(shè)計(jì)值增加時(shí)，主梁會(huì)產(chǎn)生下?lián)?，最大相?duì)下?lián)狭窟_(dá)到14 mm。 這說明，主梁線形對(duì)于自重的變化比較敏感。

在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，為避免混凝土自重產(chǎn)生較大變化，各節(jié)段立模要準(zhǔn)確，還應(yīng)避免混凝土在運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生早凝、離析現(xiàn)象。 混凝土振搗也要密實(shí)。

3.4 混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形的影響

混凝土徐變是指在長(zhǎng)期荷載作用下， 混凝土結(jié)構(gòu)的變形隨時(shí)間不斷增大的現(xiàn)象。 混凝土收縮是指混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時(shí)體積縮小的現(xiàn)象。 影響混凝土收縮徐變的因素有：混凝土材料的性質(zhì)、構(gòu)件幾何尺寸、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境條件、加載情況等［4］。 混凝土收縮徐變是引起連續(xù)梁橋主梁下?lián)系闹饕蛑弧ＹY料顯示，多座已建成的連續(xù)梁橋因混凝土收縮徐變的影響產(chǎn)生較大變形。以成橋1 年、3 年、5 年、8年、10 年主梁線形相對(duì)于成橋初期主梁線形的變化為例，分析混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形的影響曲線Fig.6 Influence curves of shrinkage and creep of concrete on main beam linear shape

由圖6 可知： 混凝土收縮徐變對(duì)主梁跨中撓度影響較大。 相對(duì)于成橋初期，成橋1 年、3 年、5 年、8年、10 年主梁跨中最大下?lián)狭繛椋?4.2 mm、21 mm、25 mm、29.2 mm、31.1 mm。 即隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土收縮徐變對(duì)主梁的影響不斷減小。

混凝土收縮徐變對(duì)主梁撓度的影響具有長(zhǎng)期性，為減小混凝土收縮徐變對(duì)主梁撓度的影響，應(yīng)注意混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)，在工期允許的情況下，適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土加載齡期。 考慮影響混凝土收縮徐變的各種因素，通過較為精確的模擬計(jì)算，得到各節(jié)段較為精確的預(yù)拱度值，確定準(zhǔn)確的立模標(biāo)高，減小混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形的影響。

3.5 環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)主梁線形的影響

混凝土具有“干縮濕脹”的特點(diǎn)，周圍環(huán)境的相對(duì)濕度愈大，混凝土內(nèi)部的吸附水蒸發(fā)量愈小，水泥的水化程度就愈高，水泥凝膠體的密度也越高，混凝土構(gòu)件的變形越小。環(huán)境的相對(duì)濕度越小，水分的蒸發(fā)量就越大， 若混凝土養(yǎng)護(hù)不到位， 水泥水化不充分，則混凝土構(gòu)件后期的變形則會(huì)越來越大［5］。因?yàn)樗嗟乃且粋€(gè)長(zhǎng)期的過程，所以，本文分析了成橋10 年時(shí)，環(huán)境濕度為50%、70%、90%時(shí)，主梁線形的變化，結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 可知， 環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)主梁跨中撓度影響較大，當(dāng)相對(duì)濕度由50%增加到70%時(shí)，跨中最大撓度由108.2 mm 減小到98 mm； 當(dāng)相對(duì)濕度由70%提高到90%時(shí)，跨中最大撓度由98 mm 減小到85 mm。 由此可見，環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)主梁線形的影響是比較大的。因此，為減小環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)主梁線形的影響，應(yīng)確保混凝土養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度適宜，使混凝土前期的水化反應(yīng)充分進(jìn)行。

圖7 環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)主梁豎向撓度的影響Fig.7 Influence of environmental relative humidity on vertical deflection of main beam

3.6 結(jié)構(gòu)剛度對(duì)主梁線形的影響

影響連續(xù)梁橋主梁結(jié)構(gòu)剛度的因素有混凝土彈性模量、各懸臂段截面幾何尺寸、約束條件等。混凝土的彈性模量取決于所用集料的彈性模量及相對(duì)含量，并且隨著加載齡期、養(yǎng)護(hù)條件等因素的變化而變化［6］。 因工期需要，在混凝土攪拌過程中，需加入一些外加劑，使混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快，但混凝土彈性模量發(fā)展滯后。因此，在連續(xù)梁橋施工中，混凝土的彈性模量會(huì)存在偏差。 成橋時(shí)，混凝土彈性模量增加或減少10%對(duì)主梁線形的影響如圖8 所示。

從圖8 可以看到， 混凝土彈性模量的變化對(duì)主梁線形會(huì)產(chǎn)生一定的影響。 當(dāng)彈性模量增加10%時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度較大，主梁豎向撓度減??；當(dāng)彈性模量減少10%時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度減小，主梁豎向撓度增大。 為減少?gòu)椥阅Ａ孔兓瘜?duì)主梁線形的影響， 應(yīng)嚴(yán)格按照混凝土配合比拌和混凝土， 使粗細(xì)骨料符合設(shè)計(jì)要求，并控制外加劑的摻和量。 另外，在工期允許的情況下，還應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)加載時(shí)間。

圖8 不同混凝土彈性模量對(duì)主梁豎向撓度的影響Fig.8 Influence of different concrete elastic modulus on vertical deflection of main beam

4 結(jié)語

綜上所述， 本文以一高速公路上三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋?yàn)榈湫屠C，利用Midas／civil 建立有限元分析模型， 從理論上分析了懸臂段混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力筋張拉、預(yù)應(yīng)力損失、混凝土自重、混凝土收縮徐變、 環(huán)境相對(duì)濕度、 結(jié)構(gòu)剛度對(duì)主梁線形的影響，可得到如下結(jié)論：（1）不同的參數(shù)對(duì)主梁線形的影響程度不同，主梁對(duì)不同參數(shù)的敏感性差異較大。（2）預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁線形影響較大，預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重時(shí)，可造成梁體開裂，縮短橋梁使用壽命。 為減少預(yù)應(yīng)力損失，在預(yù)應(yīng)力張拉前，應(yīng)做摩阻試驗(yàn)和張拉設(shè)備的標(biāo)定；張拉時(shí)，錨下張拉控制應(yīng)力和鋼絞線伸長(zhǎng)量應(yīng)在控制范圍之內(nèi)， 確保有效預(yù)應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。 （3）混凝土收縮徐變對(duì)主梁線形的影響較大，應(yīng)充分分析影響混凝土收縮徐變的各種因素， 通過確立準(zhǔn)確的預(yù)拱度來減少混凝土收縮徐變的程度。（4）懸臂段混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土自重、彈性模量等是影響主梁線形的主要參數(shù)， 這些參數(shù)對(duì)主梁線形的影響可通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)控進(jìn)行調(diào)整。