连续刚构铁路桥收缩徐变效应监测与分析

程　辉，王鸣辉，梅秀道，叶仲涛，王　翔

（1.桥梁结构与健康湖北省重点实验室，湖北　武汉　430034；2.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北　武汉　430034）

连续刚构铁路桥收缩徐变效应监测与分析

程辉1，2，王鸣辉1，2，梅秀道1，2，叶仲涛1，2，王翔1，2

（1.桥梁结构与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034；2.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034）

摘要：对连续刚构铁路桥箱梁温度场及桥梁线形进行长期、连续监测，通过主梁跨中下挠的理论与实测对比揭示了连续刚构铁路桥收缩徐变效应。对比了国内外常用收缩徐变估算模型，选择CEB-FIP徐变模型对黄河特大连续刚构桥进行了有限元分析。采用实测温度数据，以箱梁内测温度、外侧温度、顶底板温度梯度、左右侧温度梯度作为箱梁温度场的评判指标，对箱梁1年内的四季温度场分布进行分析。在基于相同温度场的条件下，通过理论值与实测值对比，发现分析成果与实测结果较吻合，说明混凝土的收缩徐变是引起连续刚构铁路桥跨中下挠的主要原因，对比结果还说明通过改善箱梁顶底板应力差能够改善收缩徐变长期效应。

关键词：连续刚构；温度场；线形；CEB-FIP；收缩徐变

0　引言

铁路连续刚构桥梁检测结果说明主梁下挠，底板开裂是影响桥梁运营安全的主要危害。桥梁主梁下挠，降低了桥梁混凝土抗裂性能，使桥梁底板裂缝提早出现，减小铁路桥梁横向及竖向刚度，进而使桥梁耐久性能下降，影响桥梁承载能力，威胁铁路桥梁运营安全。

国内外学者对引起连续刚构箱梁跨中下挠的原因进行了广泛的研究与分析，认为结构材料、荷载、环境及混凝土收缩徐变等是其主要原因［1］。针对混凝土收缩徐变的研究，自ASTM提出混凝土的徐变特性后，国内外学者不断完善了混凝土收缩徐变的分析方法和计算理论：CEB-FIP提出混凝土徐变系数为初始应变、滞后弹变与流变之和；Z.P.BAZANT教授提出徐变和干燥徐变的BP模式，并给出了计算公式；我国混凝土结构规范中，在Trost-Bazant理论基础上，学者们提出中值系数法，并广泛应用于桥梁有限元分析［2-4］。

为验证收缩徐变计算理论，早期铁路桥梁主要采用人工定期检测方式进行挠度长期监测，由于缺乏连续监测数据以及监测数据受到温度等因素影响，使相关桥梁收缩徐变研究成果少、精度低。随着桥梁监测技术的发展，桥梁健康监测系统逐渐被重视，部分特大型、大型桥梁安装了健康监测系统。桥梁健康监测系统采用长期连续监测技术，解决了桥梁结构混凝土收缩徐变性能难以监测的问题，随着桥梁监测技术稳定性和可靠性的逐步提高，铁路桥梁收缩徐变效应的研究得到迅速发展。

以铁路桥梁为工程背景，对铁路桥梁温度场及桥梁线形长期、连续监测，提出箱梁温度场评判指标，并对基于相同温度场条件下的桥梁线形进行对比分析，结合混凝土不同收缩徐变模型的对比分析以及桥梁有限元理论分析成果，对铁路连续刚构桥收缩徐变效应进行了研究。

1　收缩徐变模型

表1列出了目前国外常用收缩徐变估算模型及相关函数，包括CEB-FIP1978模型、CEB-FIP1990模型、ACI209模型、GL2000系列模型和B3模型，中国现行铁路桥梁规范主要采用的是CEB-FIP90模型。

表1中相关的收缩徐变模型及相关函数为经验公式或半理论半经验公式，CEB-FIP模型将徐变分为滞后弹变、瞬时流变和后继流变3部分；美国混凝土协会推荐采用ACI-209模式，考虑了混凝土的各种因素，但不区分弹性变形和塑性变形，采用双曲线函数；GL2000模型考虑了混凝土材料弹性模量、强度及养护条件等因素；B3模型用徐变函数表示单位应力下的总应变，徐变分为基本徐变和干燥徐变。

表1中不同的收缩徐变模型有其各自的提出背景和适用范围，由于各个模型所考虑的影响因素不同，模型具有不同的预测精度。因此对于不同桥梁结构及材料，选择适合的收缩徐变模型十分重要。

表1　收缩徐变模型及相关函数Tab.1 Shrinkage and creep model and correlative functions

2　工程实例

大准增二线黄河特大桥为三跨预应力钢筋混凝土连续刚构桥，跨度组成为96 m+132 m+96 m，边、中跨跨度比为0.72。全桥悬浇段共分75个梁段（含两个0号梁段），其中T构悬臂对称灌注17个梁段。主梁采用单箱单室结构，箱梁及梁底以下3 m范围内采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土。混凝土收缩徐变模型采用CEB-FIP1978规范标准。

图1为大准增二线黄河特大桥挠度及温度传感器布置总体图，其中Def 01～Def 08为挠度布置断面，T 01～T 02为温度布置断面。图2为T 01～T 02断面温度布置图。挠度长期监测系统采用封闭式液位连通管原理，全桥共布置8个断面，采样精度为0.5 mm，采样频率设置为1 Hz；温度采用DB18B20传感器，传感器精度为0.5℃，采样频率为10 min /次。传感器属性见表2。

图1　传感器整体布置图Fig.1 Overall layout of sensors arrangement

图2　温度及挠度传感器布置断面图Fig.2 Arrangement section of temperature and deflection sensors

表2　传感器数量及属性Tab.2 Number and attribute of sensors

3　监测及分析

对桥梁收缩徐变结果进行分析，需消除箱梁温度场对桥梁挠度的影响，因此应尽量采用同一温度场作用下的箱梁挠度数据以便简化分析。同季节或春、秋季箱梁不同时刻温度场变化较小，将2013年12 月20日05时00分00秒、2014年5月15日06时02分16秒、2014年9月16日06时57分33秒、2014年12 月26日07时01分00秒分别设置为时刻1、时刻2、时刻3、时刻4，分析4个时刻的箱梁温度场数据，其中时刻1与时刻4的间隔时间为371 d，时刻2与时刻3温度场间隔时间为123 d。

3.1温度测试分析

大跨度连续刚构桥温度场比较复杂，可通过连续监测箱梁外侧温度、内侧温度、内外温度梯度、顶底温度梯度等指标，实现对箱梁温度场的大致判定。由于现场安装的温度传感器测试精度为0.5℃，若箱梁两个时刻对应的温度场监测指标差值δT小于系统精度0.5℃，则判定两个时刻的温度场基本相同。

图3绘制了2013年12月-2014年12月全年的箱梁内外侧温度时程图，图4分别绘制了时刻1与时刻4及时刻2与时刻3温度梯度对比图。表3列出了不同时刻对应的温度及温度梯度值。由表3可见，时刻1与时刻4对应的箱梁内外侧温度梯度最大差值分别为5.6、5.7℃，顶底板最大温度梯度差值分别为1.2、0.8℃，底板左右侧最大温度梯度差值均为1.9℃，两时刻的箱梁温度场特征差值均小于系统传感器的精度0.5℃，可认为时刻1与时刻4对应的温度场大致相同；同样比较时刻2与时刻3对应的箱梁内外侧温度最小差值分别为-0.1、-0 .2℃，顶底板最大温度梯度差值均为0.4℃，底板左右侧最大温度梯度差值分别为0.5、0.8℃，两时刻的箱梁温度特征差值均小于0.5℃，可认为时刻2与时刻3对应的温度场大致相同。

图3　温度时程曲线图Fig.3 History curve of temperature

图4　温度断面梯度图Fig.4 Temperature gradient chart（（1）-time1，（2）-time2，（3）-time3，（4）-time4）

表3　温度数据分析表Tab.3 Analysis table of temperature data　/℃

3.2挠度测试分析

时刻1、4与时刻2、3箱梁挠度实测差值见图5。图5显示从时刻2至时刻3之间123 d内，中跨跨中断面下挠1.5mm，边跨跨中断面下挠1.0mm；而时刻1桥梁合龙至时刻4为371 d，中跨跨中断面下挠4.1mm，边跨跨中断面下挠3.1mm。

箱梁挠度理论与实测值见表4，表4中理论值采用规范推荐的徐变系数及CEB-FIP收缩函数。表4显示时刻2至时刻3的123 d，最大偏差出现在主梁跨中测点（Def04），理论值为-1.7 mm，实测值为-1.5 mm；最大偏差为0.2 mm，实测值小于理论值；最小偏差出现在主梁1/4测点（Def03），理论值为-1.03 mm，实测值为-1 mm，实测与理论值偏差为0.03 mm。说明从时刻2至时刻3的123 d，桥梁收缩徐变效应明显，理论值与实测值偏差较小，采用的收缩徐变模型合理，理论分析及实测结果真实、可信。

表4还显示时刻1桥梁合龙至时刻4为371 d，主梁跨中测点（Def04）理论值为-6.1 mm，实测值为-4.2 mm，实测值较理论值小1.9 mm；主梁跨中1/4测点（Def03）与3/4测点（Def05）实测值均大约小于理论值1.0 mm，说明桥梁合龙后进行了体外束张拉，有助于改善桥梁箱梁顶、底板结构受力状态，减小桥梁收缩徐变长期效应。

图5　时刻1、4与时刻2、3挠度变化图Fig.5 Deflection change chart of time 1，4 and 2，3

表4　理论值与实测值对比表Tab.4 Comparison of theoretical value and measured value

4　结语

以大准增二线黄河特大桥为工程背景，对桥梁在非荷载作用下的箱梁挠度变形进行了为期1年的监测，并采用冬季及春秋季相同温度场作用下的挠度监测数据与有限元理论值进行对比分析，主要得出以下结论：1）通过比较不同时刻的箱梁内侧与外侧温度、顶底板温度梯度、腹板左右侧温度梯度等数值大小，将温度传感器的采样精度作为判定箱梁温度场是否相同的限值，提取了不同季节但具有相同温度场的作用时刻，作为桥梁挠度对比分析的依据是可行的。

2）对连续刚构主梁挠度1年的监测数据进行分析，说明连续刚构铁路桥采用连通管进行挠度监测的方法是可行的，监测数据的准确性及完整性也满足要求。

3）连续刚构铁路桥跨中合龙1年后，箱梁呈现明显下挠趋势，与理论分析结果趋势相同，但与理论分析值相比较后发现，主跨跨中箱梁断面下挠的速度偏缓，对箱梁安全有利，后续还应加强对箱梁跨中挠度的持续性监测。

参考文献（References）

［1］汪剑，方志.大跨预应力混凝土箱梁桥收缩徐变效应测试与分析［J］.土木工程学报，2008，41（1）：70-81.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］程辉，钟继卫，李振东.轨道交通桥梁运营期桥面线形监测数据分析［J］.桥梁建设，2011（6）：32 -36.

［4］丁文胜，吕志涛，孟少平，等.混凝土收缩徐变预测模型的分析比较［J］.桥梁建设，2004（6）：13-16.

（责任编辑：陈旷）

Monitoring and Analysis on Shrinkage and Creep Effects of Continuous Rigid Frame Bridge

CHEN Hui1，2，WANG Minghui1，2，MEI Xiudao1，2，YE Zhongtao1，2，WANG Xiang1，2
（1.Key Laboratory of Bridge Structure Safety and Health of Hubei Province，Wuhan 430034，Hubei，China；2.Bridge Science Research Institute Ltd.，China Railway Major Bridge Engineering Group，Wuhan 430034，Hubei，China）

Abstract：For long-term and continuous monitoring of the railway bridge box beam temperature field and the bridge alignment of continuous rigid frame bridge，through the comparison of theoretical and measured value of excessive deflection in the midspan of girder，revealed the shrinkage and creep effects of the bridge.The common used domestic and overseas shrinkage and creep estimation models were compared，and the CEB-FIP creep model was selected for finite element analysis of the Yellow River large continuous rigid frame bridge.With the measured temperature data，and evaluation indexes which were inner and outer temperature of box girder，bottom and top temperature gradient，left and right temperature gradient，to analyze the temperature field distribution of box girder in four seasons in one year.Under the same temperature field，through the comparison of theoretical and measured value，it was found that the analysis results were consistent with the measured results，so it illustrates that the shrinkage and creep of concrete are the main reasons for excessive deflection in the midspan of railway continuous rigid frame bridge，the comparison results also illustrate that the improvement of stress difference of roof and floor of box girder can improve the long-term shrinkage and creep effects.

Keywords：continuous rigid frame bridge；temperature field；linear；CEB-FIP；shrinkage and creep

作者简介：程辉（1978—），男，高级工程师，硕士，研究方向：桥梁结构监测与分析。

基金项目：湖北省自然科学基金项目（2013CFA135；2013CFB457）

收稿日期：2015-03-16

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.04.007

中图分类号：U446.2

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）04-0323-05