预应力混凝土连续梁施工后残余徐变设计措施

徐海军

0 引言

大跨度预应力混凝土连续梁由于混凝土收缩徐变的影响，会造成运营阶段桥梁结构的几何线形和内力状态随时间而变化，进而引起桥面线形的变化。徐变的持续发生也会导致跨中位移逐渐加大，会造成路面的不平顺，降低行车舒适度，甚至会危及行车安全及桥梁结构安全[1]。

世界各国规范对于混凝土梁铺设无碴轨道后残余徐变值均有严格限制，德国规范规定残余徐变限值为L/5000。我国《公路桥梁设计暂行规定》中规定，钢桥的工后残余徐变上拱值不应大于5 mm，混凝土桥梁工后残余徐变下挠度值不应大于15 mm。

1 影响徐变的主要因素

混凝土由粗集料、细集料和水泥浆等组成，从物理角度讲，混凝土徐变是由于长期受力状态下混凝土的塑性变形引起的。试验表明，水灰比和水泥用量是影响混凝土徐变的重要因素，这是因为混凝土的徐变是由水泥浆的蠕变引起的，在相同水灰比情况下，徐变变形随水泥用量的加大而增大，而当水泥用量一定时，随水灰比的加大而增大。而骨料在混凝土中对水泥浆蠕变起约束作用，有试验表明，骨料的弹模和体积含量对混凝土的徐变变形有一定影响。此外，混凝土的养生条件、施工工艺及振捣质量等对其徐变性能显然也存在较大的影响[2]。

综上所述，影响混凝土徐变的主要因素有以下几点:

1)连续梁的高跨比(即竖向抗弯刚度);

2)预应力布置及梁体上下缘恒载应力差;

3)二期恒载的施工时间;

4)不同梁段施工周期(及混凝土加载龄期);

5)混凝土原材料、配比及施工质量的影响。

上述影响因素中，混凝土原材料、混凝土配比及施工质量的影响可以在工程实施时通过混凝土选料、配比试验及严格控制施工质量加以解决，而连续梁高跨比、预应力布置及梁体上下缘恒载应力差、二期恒载的施工时间、不同梁段施工周期等，是可以通过分析研究、从设计角度加以控制的。因此本研究对不同高跨比设置，进一步从预应力钢束布置方式、二期恒载施工时间、预留调整措施等方面研究徐变控制的方法，以求从设计角度降低工后徐变残余值。

随着梁高的增加，连续梁边跨及中跨工后残余徐变值呈明显的降低趋势。因此，选用较大的高跨比、提高梁体抗弯刚度，降低梁体截面下翼缘的压应力水平，可以有效的减小连续梁工后徐变残余值。

2 预应力布置及梁体上下缘恒载应力差对残余徐变的影响

当梁体上下翼缘的恒载应力相等，梁体处于轴向受压状态，则混凝土的收缩与徐变产生的位移将沿梁体轴向发生，对于控制梁体的残余徐变变形是最为理想的状态。实际设计中很难使梁体处于完全轴向受压状态，但可以通过调整顶、底板钢束的布置，尽量减小上、下翼缘应力差，从而减小梁体工后徐变残余值。

随着边、中跨上下翼缘压应力差值的减小，梁体工后残余徐变值也随之减小。边跨上下缘应力差每减小0.1 MPa，可减小边跨徐变上拱值约0.83 mm;中跨上下缘应力差每减小0.1 MPa，可减小中跨徐变下挠值约1.2 mm，表明上下翼缘压应力差值对工后残余徐变的影响是非常显著的。边跨徐变值方向向上，而中跨徐变值表现为下挠。边跨徐变值的大小要大于中跨徐变值。随着梁体上下翼缘恒载应力差值的降低，混凝土徐变值也在逐步降低，并且跨中应力差对于徐变值的影响要比支点处应力差表现更为明显。跨中平均应力差每减小0.1 MPa，相应的徐变值可减小约1.2 mm。因此在实际设计中，适当增加中跨中底板预应力钢束，调整中跨上下翼缘的恒载应力差值，使梁体受力状态趋近于轴向受压状态(恒载应力差值宜控制在2 MPa以内)，是减小工后徐变残余值的有效措施。同理，连续梁边跨亦可通过增加或减少底板预应力钢束，调整上下翼缘应力差值，来有效减小工后徐变残余值[3-6]。

3 二期恒载施工时间对残余徐变值的影响

混凝土的收缩与徐变和加载时间相关，并且在混凝土施工的初期，收缩与徐变发展较快。因此，可通过调整连续梁合龙、预应力终张拉完成之后到施工二期恒载的时间间隔来改善梁体徐变变形。

边跨梁体徐变变形是向上的，由于二期恒载的位移与徐变位移方向相反，二期恒载的施工可以抵消一部分混凝土徐变而产生的工后残余徐变上拱值;中跨梁体徐变变形在二期恒载施工前方向向上，而二期恒载施工后，徐变方向变为向下。虽然边跨、中跨徐变位移方向相反，不同存梁时间对长期徐变值的影响规律相同，即延长合龙后的存梁养护时间，可以使梁体的初期徐变尽可能多的发生，使二期恒载施工后的残余徐变值减小。因此，主梁施工合龙后，在满足工期要求的条件下，宜适当延长施工期恒载的时间间隔，这对控制大跨度连续梁工后残余徐变是有利的。

4 不同梁段施工周期对工后残余徐变的影响

大跨度预应力混凝土连续梁多采用挂篮节段悬臂浇筑施工，本次研究对不同的梁段施工周期对工后收缩残余徐变的影响进行了分析。由于混凝土徐变在混凝土浇筑的初期发展较快，延长各梁段的施工时间，可以使混凝土初期的徐变位移在梁段施工过程中发生，同时提高加载时混凝土的弹模值，从而减小梁体工后残余徐变，这对于梁体的徐变变形控制是有利的。适当延长梁段施工周期，对于减小梁体工后残余徐变是有利的[7，8]。

5 工后残余徐变预留调整措施

工后残余徐变的影响因素很多，实际工程中准确计算和预测较为困难。因此，有必要对工后残余徐变预留调整措施进行分析研究。本次研究通过预留体外预应力钢束、必要时在运营期间通过补充张拉体外预应力来调整梁顶高程，使其满足无碴轨道扣件的调整量限值要求。由于徐变是与混凝土应力相关的，因此重复作用的列车活载对混凝土徐变变形的影响是存在的。但由于列车活载与预应力及恒载相比，其作用是瞬时的，特别是对于高速铁路大跨度桥梁来说，活载产生的梁体截面应力占总应力的比例较低，高速铁路大跨度桥梁一般为刚度控制设计，在恒载及活载作用下其总体应力水平较低，因此，按照现行铁路桥梁设计规范规定，计算混凝土徐变变形时可不考虑列车活载的影响。

混凝土的收缩是由于混凝土所含水分的蒸发及其他物理化学原因发生体积缩小引起的，因此，收缩对于预应力混凝土梁后期的变形的影响主要是预应力混凝土构件缩短，引起预应力的损失，从而降低有效预应力，引起梁部的上拱或下挠。研究表明，收缩在混凝土凝结初期发展较快，后期逐渐迟缓，但仍持续较长时间;对于钢筋混凝土结构，当混凝土收缩时，钢筋的约束和支撑作用可减小混凝土部分收缩变形。对于分段灌注的钢筋混凝土结构，因收缩已经在梁体合龙前部分完成，收缩变形对结构的影响比整体灌注结构小，因此《铁路桥涵设计基本规范》中规定:混凝土收缩的影响可按照降温的方法计算，对于整体灌注的混凝土结构相当于降温20℃;对于整体灌注的钢筋混凝土结构相当于降温15℃;对于分段灌注的混凝土或钢筋混凝土结构，相当于降温10℃。对于本次研究的(80+128+80)m预应力混凝土连续梁，由于采用挂篮分段悬臂浇筑施工，故研究中收缩变形对结构的影响按照结构降温10℃考虑。

6 结语

本文研究从高跨比、预应力布置及上下翼缘恒载应力差及二期恒载施工时间对残余徐变的影响以及预留调整措施等方面，对预应力混凝土连续梁混凝土工后残余徐变的设计控制措施进行了分析研究，主要结论如下:

1)选用较大的高跨比、加大梁体竖向刚度可有效降低工后徐变残余值。

2)在实际设计中，调整预应力钢束布置，调整中跨上下翼缘的恒载应力水平，减小梁体上下翼缘恒载应力差(宜控制在2 MPa以内)，是减小工后徐变残余值的有效措施。

3)主梁施工合龙、预应力终张拉后，适当延长二期恒载的施工时间，对控制大跨度连续梁工后残余徐变是有利的。

4)适当延长每个梁段的施工周期，对于减小梁体工后残余徐变是有利的。

5)大跨度梁应预留体外索的设置条件，必要时张拉体外索是调整大跨度连续梁线形、减小工后残余徐变值的有效措施。

[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2]徐光辉.桥梁计算示例集——预应力混凝土刚架桥[M].北京:人民交通出版社，1995.

[3]宋顺忱.大跨度预应力混凝土连续梁设计关键技术的研究[D].上海:同济大学，2008:18-24.

[4]许志艳.花土坡特大桥高墩大跨连续梁设计研究[D].成都:西南交通大学，2005:25-27.

[5]GB 17741-1999，工程场地地震安全性评价技术规范[S].

[6]JTJ 004-89，公路工程抗震设计规范[S].

[7]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社，1997.

[8]周 履，陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社，1994.