寧加偉，李樹鼎，師新虎

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

近年來，我國公路橋梁基礎(chǔ)設施[1-2]的建設得到空前發(fā)展。由于連續(xù)剛構(gòu)橋具有剛性美、承載能力強等特點，在高速公路以及國省干線上得到大力應用。然而大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)自重較大，在環(huán)境荷載等作用下，主梁豎向撓度[3]和線形變形[4]也較大，對結(jié)構(gòu)安全和行車安全產(chǎn)生嚴重的影響。

針對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度以及線形問題，學者們進行了大量研究。張陽[5]、王艷[6]和陳浩[7]等研究分析了縱向和豎向預應力損失、結(jié)構(gòu)超重、混凝土加載齡期、跨中下?lián)系炔焕蛩貙Υ罂鏟C 連續(xù)剛構(gòu)橋工作性能和受力情況的影響，并給出了一定的建議和措施；鄒錦華[8]等在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋常見病害分析的基礎(chǔ)上，提出了有利于結(jié)構(gòu)防治下?lián)系慕ㄔO性意見；肖金軍[9]等采用荷載零彎矩法對橋梁預應力配束方案進行優(yōu)化，結(jié)合相關(guān)材料性能試驗，從預應力鋼束配筋和混凝土材料性能優(yōu)化等角度提出了預應力混凝土剛構(gòu)橋下?lián)系目刂品椒?；馬振棟[10]、張陽[11]和朱德祥[12]等均從不同角度探究了連續(xù)剛構(gòu)橋主梁過度下?lián)系目刂品椒?。以上研究主要從施工的方法、材料特性等角度對連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)蠁栴}進行了研究，而對成橋營運階段的下?lián)蠁栴}研究較少。

基于上述研究，以山嶺地區(qū)某大跨度高墩雙肢薄壁預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，探究成橋營運階段主梁下?lián)系闹饕梢?、影響機理及對應控制策略問題。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

為探究大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主跨下?lián)铣梢騿栴}，以山嶺地區(qū)跨徑組成（106 m+200 m+106 m）的大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，該橋采用雙肢薄壁墩，其橋型布置情況見圖1，樁基為嵌巖樁。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

1.2 下?lián)铣梢驕\析

超大跨度預應力連續(xù)剛構(gòu)橋由于結(jié)構(gòu)體主要材料為混凝土，自重大，且混凝土收縮徐變受環(huán)境溫濕度影響較大。因此隨著時間的推進，大跨度剛構(gòu)橋主梁豎向位移值會持續(xù)性增加，進而導致裂縫的開裂。而裂縫開裂會減小主梁剛度，進一步加大主梁豎向下?lián)希虼擞斜匾獙B續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)铣梢蜻M行分析，進而在設計、施工以及后期養(yǎng)護維修過程中有針對性的制定相應策略，盡可能減緩大跨度預應力混凝土下?lián)虾土后w開裂等情況的出現(xiàn)。

研究表明，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)系挠绊懸蛩剌^多，主要包括汽車荷載、整體升降溫、混凝土收縮徐變和預應力損失。而在混凝土收縮徐變中，主要是以相對濕度以及加載齡期為主要影響因素。

各種荷載作用對主梁撓度的定性影響機理見表1 所示。

表1 主梁撓度影響性分析

由表1 可知，汽車荷載以及整體升降溫對主梁豎向撓度影響較小，對主梁豎向撓度影響較大的影響參數(shù)為混凝土收縮徐變與預應力損失。因此有必要進一步深入探究混凝土收縮徐變以及預應力損失對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度的影響規(guī)律。

2 計算工況及有限元模型

2.1 計算工況

針對上述影響大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋豎向撓度的主要參數(shù)，下面結(jié)合工程中經(jīng)常出現(xiàn)的各種情況，按表2 的計算工況進行詳細計算與分析。

表2 計算工況

預應力損失與混凝土收縮徐變、相對濕度、加載齡期都有一定的影響，具有耦合性、多因素影響等特性。為便于后文分析各個單一因素對結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力和應力的影響，此處并未考慮多因素耦合性的影響。

2.2 有限元模型

為對上述表2 的各個計算工況進行計算與分析，有必要對依托橋梁進行建模。基于有限元軟件，并結(jié)合依托橋梁的結(jié)構(gòu)設計圖紙建立該橋的空間有限元模型，其中材料信息見表3。

表3 材料信息

全橋采樣梁單元模擬，樁基底部固結(jié)，樁基與承臺之間通過剛臂進行連接，橋墩和主梁進行固結(jié)，在邊跨橋梁梁端約束主梁豎向和橫向位移，縱向放開，預應力鋼束通過輸入鋼束坐標進行模擬。全橋共計1103 個節(jié)點和868 個單元，其有限元模型見圖2。由于該橋樁基礎(chǔ)為嵌巖樁，故將樁側(cè)的彈性支撐設置為剛性支撐的形式。

圖2 有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 位移

在三種影響因素作用下的主梁位移分別見圖3至圖5 所示。

圖3 相對濕度

圖4 加載齡期

圖5 預應力損失

分析圖3 至圖5 可知：

（1）主梁撓度在相對濕度、加載齡期和預應力損失三個影響因素下的整體變化規(guī)律基本保持一致，即在主跨產(chǎn)生最大撓度，在邊跨靠近橋墩和橋臺處有輕微向上的變形；

（2）仔細分析可知，相對濕度、加載齡期和預應力損失對主梁撓度影響程度從大到小的順序為預應力損失＞相對濕度＞加載齡期；

（3）仔細分析圖5 預應力損失可知，當預應力損失從5%變化到25%時，主梁最大向下?lián)隙仍黾蛹s增加了18.86%，說明主梁向下?lián)隙葞缀跖c預應力損失變化量成正比關(guān)系。

3.2 內(nèi)力

在三種影響因素作用下的關(guān)鍵位置內(nèi)力分別見圖6 至圖8 所示。

圖6 加載齡期

圖7 相對濕度

圖8 預應力損失

由有限元模型計算結(jié)果可知，加載齡期和相對濕度作用下的彎矩均發(fā)生在橋墩墩底，而預應力損失作用下的彎矩發(fā)生在橋墩頂對應主梁截面處，這是因為僅在主梁布設了預應力束。而剪力主要發(fā)生在橋墩頂對應主梁截面處，這與連續(xù)剛構(gòu)受力特點相符合。

分析圖6 至圖8 和表4 可知：

表4 各計算參數(shù)下的內(nèi)力計算值

（1）由圖6 至圖8 可知，結(jié)構(gòu)彎矩和內(nèi)力隨加載齡期和預應力損失增加而增加，隨相對濕度增加而減??；

（2）由表4 可知，相對濕度、加載齡期和預應力損失對結(jié)構(gòu)彎矩和剪影響程度從大到小的順序為預應力損失＞相對濕度> 加載齡期，這與上述主梁撓度影響順序相同；

（3）當預應力損失從5%變化到25%時，彎矩是原來的2 倍左右，可見預應力損失會顯著加大主梁的彎矩。

4 策略研究

由上述分析可知，影響大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁豎向撓度以及結(jié)構(gòu)受力的主要因素有：相對濕度、加載齡期和預應力損失。其中影響程度從大到小的順序為預應力損失＞相對濕度＞加載齡期。

可見為防治大跨度預應力連續(xù)剛構(gòu)橋在營運過程中出現(xiàn)較大程度的下?lián)虾蛢?nèi)力問題，有必要對預應力和相對濕度進行控制，具體控制措施如下：

（1）設計階段

合理設計預應力束線形，盡可能加大預應力束曲率半徑，減小管道摩阻損失；

合理設計預應力束張拉工藝，主要包括預應力束的張拉順序以及張拉時間，需等到梁體混凝土達到一定強度后方可張拉，減少預應力束彈性回縮引起的預應力損失；

合理選用預應力束錨固系統(tǒng)，減少錨具變形引起的預應力損失；

嚴格控制主梁箱梁混凝土結(jié)構(gòu)的設計配合比、水灰比、減水劑用量，進而通過控制配合比達到對相對濕度的控制。

（2）施工階段

要嚴格按照設計圖紙放樣預應力束，并在放樣后及時校核尺寸偏差；

嚴格按照預應力束張拉順序、張拉要求和錨具安裝工藝進行預應力束的規(guī)范施工；

在張拉預應力束時，張拉力必須在張拉控制力容許范圍內(nèi)，不能過多張拉或過少張拉；

在現(xiàn)場施工時，要嚴格結(jié)合設計文件中對配合比、水灰比、減水劑用量和相關(guān)施工規(guī)范，控制主梁箱梁混凝土結(jié)構(gòu)的濕度；

工地試驗室、監(jiān)理單位等不定期對主梁箱梁混凝土強度、碳化情況等方面進行抽檢。

（3）營運使用階段

時刻關(guān)注和檢查預應力管道是否存在破損、開裂，進而導致的預應力束銹蝕引起的預應力損失；

對預應力損失過大的預應力束，在有條件的情況下，及時進行更換。

定期對主梁箱梁內(nèi)部濕度進行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)濕度較大或積水等情況，要及時進行除濕等措施，確保箱梁內(nèi)部的干燥。

5 結(jié)語

主要結(jié)論如下：

（1）相對濕度、加載齡期和預應力損失對主梁撓度影響程度從大到小的順序為預應力損失＞相對濕度＞加載齡期，其中當預應力損失從5%變化到25%時，主梁最大向下?lián)隙仍黾蛹s增加了18.86%；

（2）相對濕度、加載齡期和預應力損失對結(jié)構(gòu)彎矩和剪影響程度從大到小的順序為預應力損失> 相對濕度＞加載齡期，這與上述主梁撓度影響順序相同；當預應力損失從5%變化到25%時，彎矩是原來的2 倍左右，可見預應力損失會顯著加大主梁的彎矩。

（3）為防治大跨度預應力連續(xù)剛構(gòu)橋在營運過程中出現(xiàn)較大程度的下?lián)虾蛢?nèi)力問題，有必要從設計階段、施工階段以及營運階段對預應力損失進行控制。