预应力混凝土弯坡连续刚构桥收缩徐变效应研究

连海坤 吴 迪 贾彦顺

(长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

预应力混凝土弯坡连续刚构桥收缩徐变效应研究

连海坤 吴 迪 贾彦顺

(长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

通过数值模拟方法对预应力混凝土弯坡连续刚构桥收缩徐变效应进行研究，从时变特征、弹性模量、加载龄期、环境湿度四个方面的变化分析，得出随曲率半径、纵坡的变化，并总结出这些影响因子对桥型变形、内力的影响程度及变化规律。

弯坡连续刚构，收缩徐变，变形，内力

我国四川西部、云南等地山区面积占有比重大，属于高原山区，河流穿行，山谷高深，地质条件比较复杂。连续刚构桥结构整体性好，简洁美观，对于山区行车舒适性好，施工工艺成熟，是此地区最具竞争力的一类桥型。已建大桥中，一部分是位于曲线与纵坡较大线路上的弯坡连续刚构桥，相比于直桥、平桥或小纵坡的弯坡连续刚构桥，其病害、损伤比较容易发生，且数量多。

目前，对于预应力混凝土弯坡连续刚构桥的收缩徐变影响机理研究相对较少，寄希望通过本文的研究能够对以后的预应力混凝土桥梁的设计、施工和成桥运营期间的安全提供参考依据。

1 工程概况

云南省永平至保山高速公路某跨径(77+140+77)m弯坡连续刚构桥，主梁为C55混凝土单箱单室截面，采用三向预应力钢束。主桥平面弯曲半径变化幅度：∞→388.95 m，主桥立面弯曲半径变化幅度：5 000 m→6 500 m，主桥纵坡变化范围：5.8%→3.0%→6.0%。箱梁顶面宽22.5 m，底面宽11.5 m，箱梁根部断面中心处梁高7.5 m，中跨与边跨合龙段梁高3.0 m，梁底面呈二次抛物线变化。下部结构为纵桥向宽2.5 m，横桥向宽11.5 m的双柱式薄壁空心桥墩，为C50混凝土。

2 分析研究思路

依据相关设计施工图纸、变更图纸、施工记录、桥梁规范等资料选取各相关参数基准值，对依托项目的弯坡连续刚构桥的实际施工过程进行精确、完整的仿真建模，在此基础上，将弹性模量、加载龄期、环境湿度等影响因子分别单独变化一定的幅度，运行上述从施工至成桥全过程有限元模型，提取全桥或指定截面的变形值、应力值进行分析，总结出这些影响因子对桥梁结构变形和内力的影响程度及变化规律。

3 计算模型建立

采用桥梁有限元软件MIDAS Civil建立空间仿真模型。主梁采用空间变截面梁单元模拟，桥墩为梁单元模拟，预应力束通过“预应力荷载”功能进行模拟；边界条件中，墩底将X，Y，Z，RX，RY，RZ六个方向自由度全部约束，主梁与桥墩固结采用弹性连接中的刚性连接来模拟；成桥分析时，端部支座采用限制Y，Z，RX，RZ方向自由度而不限制X，RY方向自由度来模拟；施工过程中，节段湿重、挂篮重量采用节点力和节点弯矩模拟；依据拟定的施工过程与方法，分88个施工阶段模拟全部过程。考虑结构构造特点、实际施工过程和计算精度的需要，把全桥离散为398个节点、395个单元。其有限元模型如图1所示。

桥梁计算所用的材料参数如表1所示。

4 计算结果分析

表1 材料参数表

材料参数类型弹性模量/MPa线膨胀系数泊松比容重/kN·m-3主梁混凝土355000．000010．225桥墩混凝土345000．000010．225预应力钢束1980000．0000120．378．5

规定：挠度向上为正，应力受拉为正；相反为负。

4.1 时变特性分析

混凝土收缩徐变随时间推移也发生着变化，本文取成桥后5个月、2年、6年、10年、20年这五个阶段各自主梁的挠度值，分析了弯坡连续刚构桥受到的影响。主梁挠度结果比较如图2所示。

从图2可以看出，在自重、预应力效应和活载长期作用下，成桥20年的下挠最大值为-6.75 cm，成桥5个月下挠最大值为-2.83 cm，前者约是后者的2.4倍，因此，收缩徐变对桥梁长期线形影响较大。

4.2 弹性模量影响分析

本文选取主梁C55混凝土弹性模量值分别为32 660 MPa(-8%),34 080 MPa(-4%),35 500 MPa(0%),36 920 MPa(4%),38 340 MPa(8%)五种情形，计算分析了弹性模量对收缩徐变的影响，如图3所示。

由图3可以看出，在荷载效应作用下，当弹性模量由-8%增大到8%，主梁中跨跨中挠度值不断增加，最大增幅为23.53%，表明在混凝土生产过程中，应该通过严格控制其集料配比，控制混凝土的弹性模量，以减少由弹性模量变化对主梁挠度的影响。

4.3 加载龄期影响分析

本文选取3 d，7 d，10 d，14 d，28 d的加载龄期分别进行运算，此桥型提取主要受力部位进行分析，即边跨2/5L处、中墩墩顶附近、中跨1/4L处、中跨跨中处的模型挠度值，其挠度值如表2所示。

表2 不同加载龄期挠度值表 cm

从表2可以看出，随着加载龄期的增加，主梁挠度均减小，中跨跨中挠度减小最大为39.26%。表明桥梁加载龄期影响桥梁的变形，加载龄期越长，挠度变化越小，越能较好的维护桥梁的运营。

提取上述截面下缘应力值，如表3所示。

表3 不同加载龄期截面下缘应力值表 MPa

从表3可以看出，随着加载龄期的增加，除边跨中墩处截面下缘应力略有降低外，其他截面处均呈现递增，且中跨跨中增加，最大为10.56%。表明随着加载龄期的增加，弯坡连续刚构桥箱梁底板应力增大。

表4 不同环境湿度挠度值表 cm

4.4 环境湿度影响分析

在JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中考虑环境湿度对收缩徐变的影响，为此，本文选取环境湿度分别为35%，45%，55%，65%，75%，85%六种情况进行分析。

同样，提取节点29号，42号，61号，102号，143号，162号，176号对应的挠度值，如表4所示。

从表4可以看出，伴随环境湿度的增大，主梁挠度减小，中跨跨中挠度减小最大，为31.49%。表明桥梁所处环境湿度越大，其变形越小，对桥梁运营期间的保护作用越好。

提取上述截面下缘应力值，如表5所示。

表5 不同环境湿度截面下缘应力值表 MPa

从表5可以看出，伴随环境湿度的增加，只有边跨中墩截面处下缘应力稍微降低外，其他均呈现增大趋势，最大增幅为15.63%。表明环境湿度的增大，会使箱梁底板应力增大。

5 结语

本文旨在研究预应力混凝土弯坡连续刚构桥的收缩徐变机理，以云南飞龙大桥为项目依托，运用MIDAS Civil软件建立相应的有限元模型，分别改变弹性模量、加载龄期、环境湿度等影响因子，通过不同参数条件下模型的分析计算，得出以下结论：1)在自重、预应力效应和活载长期作用下，随着成桥时间的推移，桥梁产生的下挠值变大，因此，收缩徐变对桥梁长期线形影响较大。2)随着弹性模量的变大，主梁中跨跨中挠度值增加，因此，应严格控制生产时集料配比来控制混凝土的弹性模量。3)加载龄期越长，环境湿度越大，主梁挠度值越小，对成桥运营期间的保护作用越好。与此同时，加载龄期越长，环境湿度越大，主梁下缘拉应力越大，设计时需要注意。可见，混凝土的收缩徐变对预应力混凝土弯坡连续刚构桥结构变形及内力有一定程度的影响，希望以上研究分析的结论，对以后此类桥型的设计、施工和成桥运营期间的养护检测提供一定的参考依据。

[1] 洪 帆，周征征.混凝土收缩徐变在连续刚构桥施工中的影响分析[J].交通科技，2009(7)：1-3.

[2] 邢德兆.大跨度PC桥梁的收缩徐变效应分析与研究[D].西安:长安大学，2005：9-13.

[3] Hubert Rusch，Dieter Jungwirth，Hubert K Hilsdorf，etc..Their effects on the behavior of concrete structure[M].New York：Springer-Verlag，1993：44- 49.

[4] 石现峰,李建中,李惠生.预应力混凝土曲线梁桥的时效分析[J].石家庄铁道学院学报,1997(9)：10-17.

[5] 李世伟.收缩徐变效应对大跨度连续刚构桥长期下挠影响研究[D].成都：西南交通大学，2010：49-61.

[6] 刘中剑.连续刚构桥收缩徐变内力分析[D].上海：上海交通大学，2008:21-27.

Research on shrinkage and creep effect at prestressed concrete curved continuous rigid bridge

Lian Haikun Wu Di Jia Yanshun

(RoadCollege,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

According to the numeric simulation method, the paper researches the shrinkage and creep effect at the prestressed concrete curved continuous rigid bridge, analyzes the changes from the time-varying feature, elastic modulus, age of loading, and environmental humidity, concludes changes along with diameter of curvature and longitude slope, and points out the influential levels and change rule for the bridge deformation and internal force.

curved continuous rigidness, shrinkage and creeping, deformation, internal force

2015-02-03

连海坤(1989- )，男，在读硕士； 吴 迪(1989- )，男，在读硕士； 贾彦顺(1987- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)11-0152-02

U448.215

A