大跨径连续刚构桥长期挠度计算及预测分析

２０１５年７月第７期　城市道桥与防洪　桥梁结构６３　大跨径连续刚构桥长期挠度计算及预测分析　潘长胜，杨斌，王世成，林萍　（中交路桥建设有限公司，北京市１００１０１）　摘要：结合某连续刚构桥实测的长期挠度数据，通过建立不同模型工况的有限元模型，分阶段对结构的长期挠度实测数据与计　算值进行对比分析。结果表明，考虑作用准永值和结构损伤以后的长期挠度计算方法更加接近实际下挠。在分析实测数据和计算　结果的基础上，引入结构长期挠度修正系数的方法来预测结构长期挠度。　关键词：连续刚构；长期下挠；结构损失；挠度修正系数；挠度预测　中图分类号：Ｕ４４６　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１５）０７—００６３—０３　０引言　大跨径预应力混凝土连续刚构桥以其施工方　便、跨越能力强、造价经济、养护方便等优点，在我　国公路建设中得到越来越广泛的应用；然而，近年　来主跨的持续下挠【ｌ－２］、腹板斜裂缝、底板裂缝、横　７．０　ｍ，翼缘悬臂长２．８７５　ｍ，分左右两幅独立桥　型，上部构造采用悬臂浇筑的施工方法，下部结构　为双肢等截面矩形空心墩、群桩基础。结构总体布　置如图１所示。　８０　————～　———一——～　———一　隔板裂缝等现象不断出　。　］，已成为困扰国内外　同类桥型设计、施工及养护的主要问题。由于跨中　下挠会加剧箱梁底板腹板开裂，而箱梁梁体裂缝　增多使结构刚度降低、进一步加剧了跨中下挠，这　些因素相互作用形成恶性循环，导致主梁持续下　挠，后期养护及加固的难度提高、费用大幅增加。　结构在运营期间的下挠是多因素耦合作用的结　果，目前研究认为大跨径连续刚构桥持续下挠的　主要原因有：（１）设计上对于收缩徐变的计算偏于　保守，与实际情况有一定差别；（２）钢束预应力损　失引起的主梁下挠难以定量计算；（３）截面开裂　后，截面刚度下降引起主梁的下挠。以上３种因素　相互影响且会产生一定的耦合作用。　本文结合贵都高速某大桥长期挠度观测数　据，探索考虑收缩徐变、预应力损失和刚度退化等　多因素影响下的长期挠度计算方法，对桥梁的长　期下挠进行预测。　图１总体布置图　为了掌握桥梁在投入营运后的性能变化，业　主单位按工程经验制定了长期观测计划，除对结　构状况进行定期检查外，还对其主要控制点的位　移进行了定期观测。该桥在２０１１年１月份建成通　车，于同年７月份建立高程控制网以观测其运营　期结构各控制点下挠，并进行了首次高程观测。结　构下挠以２０１１年７月首次观测值为基准值，观测　结果如图２、图３所示。　从图２、图３可以看出，该桥左、右幅跨中挠度　呈现持续增大趋势，边跨呈现一定程度的上挠。　１工程背景　某大桥为主跨１５０　ｍ的预应力混凝土连续刚　构桥，跨径布置为８０　ｍ＋１５０　ｍ＋８０　ｍ，单幅桥主梁　为单箱单室变截面箱梁，桥墩顶部梁高９．２　ｍ，跨　中梁高３．２　ｍ，箱梁顶板横向宽１２．７５　ｍ，箱底宽　收稿日期：２０１５—０３—２６　作者简介：潘长胜（１９７７一），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，从　事桥梁检测与管理工作。　图２左幅结构下挠曲线图　６４　桥梁结构　城市道桥与防洪　２０１５年７月第７期　６０　位置　—雌—　２０１１年１１月—罨一２０１２年ｌＯ月　—　一２０１３年ｌＯ月　～…　２０１４年１０月　图３右幅结构下挠曲线图　２长期挠度预测的分析方法　混凝土桥梁的长期挠度已引起工程界的高度　重视，但目前还难于从理论上给出非常准确的预　测，因此对实桥进行挠度观测并结合观测值进行　理论计算研究就显得尤为重要。大跨径连续刚构　桥长期挠度的主要原因是混凝土徐变，徐变的大　小和加载时混凝土龄期及荷载持续时间有密切关　系，由于桥梁结构在营运状态下的应力一般不会　超过极限强度的５０％，可以应用混凝土的线性徐　变理论，分批施加应力所产生的应变满足叠加原　理。一般来说，结构长期挠度计算时，将桥梁分为　以下三个阶段进行下挠计算：第一阶段，主桥合拢　后但尚未进行二期恒载施工期间；第二阶段，二期　恒载施工完成至桥梁通车前的时间段；第三阶段，　考虑准永值的恒、活载共同作用的长期挠度。现结　合某大桥挠度长期观测的实测数据，考虑预应力　损失、结构刚度下降、挠度长期增长效应等方面来　对理论徐变变形计算值进行验证和分析，对成桥　后的长期挠度给出预测。　３结构长期挠度计算分析　３．１结构长期挠度计算分析　大跨径预应力混凝土梁桥跨中下挠过大是一　个比较复杂的问题，是多个因素引起的。规范规定　的结构长期挠度计算是基于理想结构，桥梁因所　处地域不同，日照、气候环境、交通量及运营过程　中的病害程度均不相同，以理想结构计算长期挠　度具有一定局限性『５＿。为同实测下挠值进行比较，　将计算结构长期挠度以监控的首次测量时间为时　间起点，将定义３种计算模型计算结构长期挠度　与实际观测值对比，工况组合见表１所列。　注：表中理想模型指的是全桥合拢后，二期荷　载的施工工期定为４０　ｄ，恒载完成后通车阶段按照　规范规定的考虑准永值的长期挠度计算方法模型。　表１计算工况表　工况　模型情况　工况１　理想模型　工况２　理想模型＋１Ｏ％预应力损失　工况３　理想模型＋１Ｏ％预应力损失＋１Ｏ％跨中刚度损失　为减小温度对结构变化的影响，选择时间大　致相同的初冬季节的位移监测数据与计算值进行　比较，此时的昼夜温差较小，温度对结构的变化影　响也较小，同时桥面挠度监测每次选择的时间大　致相同，温度也相差不大，这样由温度引起的桥梁　结构变化而产生的测量误差在内业计算时可忽略　不计，测量数据也不会失去对比意义，其中跨跨中　挠度长期观测数据与计算值比较见表２所列及图　４所示。　表２中跨跨中下挠实测值与计算值一览表（单位：ｍｍ）　１Ｏ０　、蕈　爱　５　娄　０　３００　６００　９００　１２００　桥梁运营天数／ｄ　图４跨中下挠实测值与３种工况计算值曲线图　从图４可知，运营期的前３　ａ，结构实际下挠　和工况３模拟的情况最为接近，两者之间的差值　在１８％以内。由此看出，考虑作用准永值和结构损　伤以后的长期挠度计算方法更加接近实测值，用　此方法来推算桥梁营运初期的跨中下挠具有一定　的参考性。但是根据大量此类桥梁运营期间的调　查来看，大跨径预应力混凝土连续梁桥（刚构）跨　中下挠的实测值并未在３　ａ以后像混凝土的收缩　徐变系数趋于定值，下挠与裂缝、预应力损失相互　作用而使实际下挠值普遍大于理论值［２Ｊ，这是由于　预应力混凝土桥梁结构除了承受恒载作用外，还　要承受短期效应组合中的可变作用频遇值的作　用，且此类桥梁跨径较大，局部区域应力变化较　大，使得混凝土梁的疲劳效应在长期性能中成为　不可忽视的问题ｌ６、　。此外，由于预应力混凝土梁桥　（刚构）在运营过程中随着跨中下挠会引起腹板斜　２０１５年７月第７期　城市道桥与防洪　ｌ５。　桥梁结构６５　裂缝、底板裂缝等现象，且裂缝与预应力损失、结　构下挠相互耦合，进一步加剧跨中下挠，这些因素　相互作用形成恶性循环。　３．２结构长期挠度预测　对于实桥的长期挠度预测，可通过比较实桥　值　蒌　ｓ。　０　—・卜＿．右幅下挠实测值　扣左幅Ｆ挠预测使　右幅下挠预测值　—的实测下挠值与考虑作用准永值和结构损伤以后　的长期挠度计算值，引入长期挠度计算修正系数Ｋ　来进一步模拟混凝土结构的疲劳、损伤、温度长期　效应及其他未知因素的影响，以使计算值更符合　…２０００　：３０００　４０００　５０００　桥槊遮营天数／ｄ　图７桥梁长期挠度预测曲线图　实际情况，并通过该修正系数来预测结构长期挠　度。　一桥梁实际下挠值　“一下挠计算值　该桥自测量以来的长期挠度修正系数Ｋ变化　规律见表３所列及图５、图６所示。基于Ｋ值拟合　曲线得到的桥梁长期挠度预测值见图７所示。　图７中的桥梁长期挠度预测考虑了预应力损　失、刚度损失等结构损伤，以及长期作用效应等多　表３长期挠度修正系数Ｋ值表　１．１５　・　ｌ　－　。　１．１．１　　Ｉｉ　ｌ￣－・‘．０５　－．　，　；　．　・．　■．譬。　：　：：　：　ｌ・２　●　１・ｌ５　．１．　¨　１．１　，０　一　．。。　……　ｔｉ．　１．０５　●　１　０　３００　６００　９００　１２００　桥梁运营天数／ｄ　图６桥梁右幅Ｋ值拟合曲线图　种因素对长期挠度的影响。由于下挠、裂缝和预应　力损失各因素之间相互耦合，交叉影响，目前尚未　有成熟的理论计算方法。考虑长期挠度修正系数Ｋ　值的计算方法对结构长期挠度的预测具有一定的　参考意义。　４结论　（１）在运用考虑作用准永值效应的长期挠度计　算方法进行桥梁下挠计算时，应加入桥梁的实际　损伤情况影响因素。　（２）考虑长期挠度修正系数Ｋ值的计算方法对　结构长期挠度的预测具有一定的参考意义。　（３）可在运营期结合有效预应力检测、梁体裂　缝发展情况调查等方面，来分析各因素对桥梁结　构下挠的相关关系，以得到更加合理的挠度预测　曲线。　参考文献：　［１】Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ　Ｉａｎ　Ｎ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ【Ｊ１＿Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，　２００５，２７：１８２０—１８２７．　【２］Ｍａｒｌ　Ａｎｔｏｎｉｏ　Ｒ，Ｍａｎｕｅｌ　Ｖａｌｄｅｓ．Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｐｒｅｅａｓｔ　ｃｏｌｌｅｒｅｔｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｍｏｄｅｌ　［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，５（１）：２２－３０．　【３】Ｉｓｓａ　Ｍｏｈｓｅｎ　Ａ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ　ａｔ　ｅａｒｌｙ　ａｇｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　ＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，４（２）：ｌ１６－１２４．　［４］Ｂｕｒｇ０ｙｎｅ　Ｃｈｒｉｓ，Ｓｃａｎｔｌｅｂｕｒｙ　Ｒｉｃｈａｒｄ：Ｗｈｙ　ｄｉｄ　Ｐａｌａｕ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　［Ｊ】．Ｔｈｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，２００６，８４（１　１）：３０－３７．　［５］王法武，石雪飞．大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究　［Ｊ】．公路，２００６，（８）：７２—７７．　【６］王培金，盛洪飞，赵尚栋．大跨连续刚构桥预应力混凝土箱梁的　长期挠度预测探讨［Ｊ】．公路交通科技，２００７，２４（１）：８７—９０．　【７］查全瑶，肖建庄．钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述【Ｊ］．世　界桥梁，２００４，（３）：３Ｏ一３４．