大跨径PC连续梁桥长期下挠敏感性分析

赵一波，王 彬，冯步文

（山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002）

引言

现代化的公路交通体系建设中，随着大跨径预应力混凝土桥梁的广泛应用，施工和运营期间的众多问题也慢慢暴露，尤其是混凝土梁桥下挠问题已经成为工程界亟需解决的问题。例如，虎门大桥辅航道桥于1997 年建成通车，是一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，其跨径为150 m +270 m +150 m，运营7 a 后，该桥各跨跨中都出现明显地下挠。中跨跨中最大下挠量达到305 mm，其余各跨下挠均在210 mm 以上。此外，黄石大桥、三门峡黄河公路大桥、广东南海金江大桥等大跨径预应力混凝土连续梁桥都发生跨中部位下挠现象，甚至在梁体底板腹板等部位出现大量裂缝[1]。大跨径预应力混凝土连续梁桥跨中下挠会使梁体发生开裂，而梁体开裂又导致桥梁结构刚度下降，加剧跨中下挠，两者相互影响，形成恶性循环，对桥梁的安全运营构成严重威胁[2]。

1 工程概况

该桥为三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥，桥梁全长280 m，跨径组合为75 m +130 m +75 m，箱梁采用单箱双室截面。箱梁根部梁高800 cm，跨中梁高350 cm，主梁梁高和底板厚度采用1.8 次抛物线变化，在合拢段的箱梁的底板厚度为30 cm，主墩墩顶底板厚度为90 cm。上部结构采用C55 混凝土，主梁预应力的钢绞线采用高强度低松弛的钢绞线（松弛等级为Ⅱ级），公称直径15.2 mm，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa,弹性模量为1.95×105MPa。主梁采用挂篮悬臂浇筑施工，先悬臂浇筑施工至最大悬臂端，然后进行边跨合拢，最后进行中跨合拢。

2 模型建立

在计算分析时，将桥梁简化为平面杆系结构，采用Midas/Civil 有限元软件进行仿真计算，根据设计图纸将全桥划分为90 个单元。边界条件方面采用一般支撑模拟支座，临时锚固采用节点固结和弹性连接刚性模拟。在划分施工阶段时，考虑到桥梁采用挂篮悬臂浇筑施工方法，为模拟悬臂施工过程，将施工过程划分为65 个施工阶段。

主梁采用C55 混凝土，弹性模量为3.55 ×104MPa；主梁预应力钢绞线采用高强度低松弛的钢绞线（松弛等级为Ⅱ级），抗拉强度标准值 为1 860 MPa,计算弹性模量为1.95×105MPa，张拉控制应力1 339 MPa。有限元模型见图1。

图1 连续梁桥有限元模型

3 连续梁桥长期下挠敏感性分析

影响桥梁跨中下挠因素众多，重点从桥梁预应力损失、混凝土收缩徐变、混凝土弹性模量等方面分析这些因素对大跨径预应力混凝土连续梁桥跨中下挠的影响。

3.1 纵向预应力对结构下挠影响

为研究桥梁纵向预应力对结构下挠的影响，将桥梁的顶板、腹板和底板预应力分别折减10%、20%和30%，将未折减预应力的桥梁挠度作为基准值，选择边跨和中跨最大下挠处的挠度作为研究对象，将各部位钢束预应力损失作为控制变量。例如，顶板纵向预应力损失10%，其余部位预应力不损失，分析其对桥梁结构下挠的影响[3-4]。各部位钢束预应力损失对桥梁结构挠度的影响见图2、图3。

图2 各部位预应力损失对边跨最大挠度影响趋势

图3 各部位预应力损失对中跨最大挠度影响趋势

由图2、图3 可知：（1）随着预应力损失的增加，边跨和中跨最大下挠处的挠度呈线性变化。对于边跨部位，顶板预应力损失对结构下挠影响最大；对于中跨，预应力损失对中跨挠度影响更为严重。（2）中跨底板预应力损失会引起边跨上挠，边跨底板预应力损失会引起中跨上挠，且挠度随着预应力损失的增加而增加。

3.2 混凝土收缩徐变对结构下挠影响

对于收缩徐变的计算模型，目前国际上存在多种计算方式，考虑因素也不尽相同，给设计中的徐变变形预测带来困难。以公路新桥规中的徐变计算模型为基础，研究收缩徐变对结构长期挠度的影响。影响混凝土收缩徐变的因素众多，选取成桥时间和环境年平均相对湿度两个参数分析收缩徐变对结构下挠的影响。

3.2.1 成桥时间对结构下挠影响

采用Midas/Civil 有限元软件进行收缩徐变对结构分析时，分别从成桥、成桥1 a、成桥3 a、成桥5 a、成桥10 a 五种工况分析收缩徐变对长期下挠的影响[5]。图4 为各工况下的最大挠度值。

图4 成桥时间对结构下挠影响

由图4 中结果对比分析可知，边跨成桥3 a 内下挠较快，由成桥时的19.3 mm 增加到22.4 mm，3 a 后，挠度增长缓慢，变化不大。对于中跨，成桥短时间内挠度变化不大，成桥1 a 后中跨在混凝土徐变作用下挠度显著增加，成桥10 a 后的中跨下挠量达到22 mm。

3.2.2 环境相对湿度对结构下挠影响

为了研究相对湿度对大跨度连续梁桥长期挠度的影响，取环境年平均相对湿度RH 为 40%、55%、70%、80%四个工况进行分析[6]。图5 为各工况下的边跨和中跨最大挠度值。

图5 环境年平均相对湿度对结构下挠影响

由图5 可知，预应力混凝土连续梁桥的最大下挠值会随着环境年平均相对湿度的增加而减小，这种影响对中跨更为显著，与年平均相对湿度40%相比，中跨在年平均相对湿度80%的条件下，挠度减少了7.3 mm，所以混凝土在干燥的环境中，相对湿度较低，其徐变明显高于潮湿环境条件下的徐变。

3.3 混凝土弹性模量对结构下挠影响

在施工过程中，特别是在大跨径混凝土连续梁桥悬臂施工过程中，为加快施工进度，在混凝土中加入早强剂然后进行早龄期张拉。根据大量研究证明，早强剂虽然能够在短期内提高混凝土早期强度，但是，此时混凝土强度虽然达到要求但弹性模量仍偏低，这种条件下张拉混凝土将导致混凝土徐变引起的预应力损失增大，导致结构下挠。为了分析弹性模量对结构下挠影响，计算时取1.4E、1.2E、E、0.8E、0.6E 五种工况进行分析[7-8]。图6 为各工况下边跨、中跨最大挠度值。

图6 混凝土弹性模量对结构下挠的影响

根据分析可知，预应力混凝土连续梁桥的边跨和中跨挠度均随着弹性模量的减小而增加，且挠度变化与混凝土弹性模量之间呈非线性关系，随着弹性模量减小，结构下挠速率增加，且混凝土弹性模量变化对中跨下挠的影响要高于边跨。混凝土桥梁的刚度在尺寸一定的前提下，主要受材料弹性模量的影响，弹性模量越大，结构刚度越大，结构越不易发生下挠。

4 结语

（1）大跨径预应力混凝土连续梁桥纵向预应力损失对桥梁结构下挠影响显著，结构下挠量与纵向预应力损失量呈线性关系，预应力损失越大，结构下挠越大。边跨底板预应力损失会加剧边跨下挠，减小中跨下挠；中跨底板预应力损失会加剧中跨下挠，减小边跨下挠；顶板和腹板纵向预应力损失均会导致边跨和中跨的结构下挠。（2）混凝土收缩徐变是导致大跨径预应力混凝土连续梁桥下挠的主要因素，徐变的影响因素众多，随着桥梁运营年限的增加，混凝土徐变对结构下挠的影响也越大。混凝土的环境年平均相对湿度也对结构跨中下挠影响显著，相对湿度愈大，混凝土徐变愈小。（3）预应力混凝土连续梁桥的边跨和中跨挠度均随着弹性模量的减小而增加，且挠度变化与混凝土弹性模量之间呈非线性关系，混凝土弹性模量变化对中跨下挠的影响要高于边跨。混凝土弹性模量的变化会导致桥梁结构刚度发生变化，使得梁体容易发生下挠开裂。因此，当梁体出现裂缝导致结构刚度降低时，必须采取有效措施进行处理，否则，裂缝的增多会加剧结构刚度下降，出现更多裂缝，形成恶性循环，给桥梁运营带来严重的安全隐患。