基于监测研究的大跨径连续刚构桥跨中下挠预测分析

孙中洋, 张显明, 李功文, 刘 波

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司, 重庆 400067)

大跨径预应力混凝土连续刚构桥因混凝土收缩徐变会引起结构响应变化,尤其是跨中下挠现象较为突出,大批专家和研究者对混凝土的收缩徐变现象进行了大量的试验和理论研究,并取得了丰硕成果,但各研究结论存在较大差异。目前,对混凝土结构收缩徐变效应分析的方法大多采用计算或根据实测数据回归分析混凝土的收缩应变和徐变系数,若无实测数据则大多利用现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 》(JTG 3362—2018)(简称JTG 3362—2018规范)中提供的公式计算[1-2]。

连续刚构桥在运营过程中,若主跨跨中下挠位移逐渐增大,将直接影响桥梁的使用寿命、行车的平顺舒适,甚至可能危及行车的安全。根据现有的研究文献及工程经验,混凝土收缩徐变是引起跨中下挠最主要的因素之一。因此,正确分析混凝土收缩徐变对桥梁跨中挠度的影响,以及各影响因素对桥梁挠度变化的敏感性,预测桥梁运营期挠度及其变化规律,以便为运营桥梁设置合理的施工监控预拱度。本文以2座大跨径连续刚构桥为例,桥梁跨径布置分别为(90+2×160+90)m、(113+200+113)m,对其实施长期挠度监测,并结合有限元模型进行计算,开展了以下研究工作:

1) 分析混凝土收缩徐变对桥梁跨中挠度的影响以及各影响因素对桥梁挠度变化的敏感性。

2) 对运营期桥梁进行长期变形监测,分析实测桥梁跨中挠度测点的变形规律。

3) 通过实桥监测数据与数值计算数据的对比分析,验证现行规范中收缩徐变的模型公式的合理性。

4) 预测监测桥梁后期跨中挠度的变化趋势,为同类型桥梁设置预拱度提供参考。

1 影响收缩徐变的因素对桥梁挠度的敏感性分析[3-4]

已有研究成果指出,影响混凝土收缩徐变的主要因素有:汽车荷载、环境温度、构件厚度的影响、尺寸效应、混凝土加载龄期、相对空气湿度、水灰比、混凝土集料和强度等级等。

针对大跨径连续刚构桥,混凝土收缩徐变除了导致其结构的预应力损失外,还会影响桥梁的内力分配及线形。运营期桥梁梁部混凝土受压区混凝土的收缩和徐变,会引起梁体跨中挠度增大,致使部分梁底开裂,影响行车舒适性能。为进一步判别桥梁运营期影响收缩徐变的不同因素对桥梁挠度的敏感性,建立实桥有限元模型及工程实测数据进行综合分析。

实桥1为(90+2×160+90)m连续刚构桥,计算模型如图1所示,影响混凝土收缩徐变的基本参数如表1所示。本文计算均依据现行JTG 3362—2018规范,通过改变表1中单个参数取值的方式逐个分析不同影响因素对桥梁挠度的敏感性,桥梁挠度取结构次跨中点分析,计算时间点分别取0年、1年、3年、5年、10年,其中0年指桥梁通车时间点。

表1 收缩徐变相关基本参数

图1 有限元模型

1.1 汽车荷载[5]

汽车荷载是影响桥梁收缩徐变相对独立的一个活荷载,且运营期桥梁收缩徐变长期效应计算中,主要考虑自重、二期荷载及预应力荷载的作用,一般不计入汽车荷载作用。实际上,桥梁在运营过程中车辆荷载基本常年不断,对结构的收缩徐变有影响,计算桥梁跨中挠度时应予以考虑。本次计算时分别按1/2汽车荷载、全部汽车荷载(荷载满布中跨及次中跨)计算,结果如表2、图2所示。从表2、图2计算结果可以看出,汽车荷载对桥梁跨中10年内的徐变挠度有一定影响,前3年较为明显[6],考虑全部汽车荷载作用下,桥梁跨中前3年累计挠度占10年累计挠度的87.1%。

表2 汽车荷载对桥梁跨中长期徐变挠度的影响

图2 汽车荷载对桥梁跨中挠度的影响

1.2 其他影响因素

分析既有混凝土收缩徐变的研究成果,除汽车荷载因素外,影响混凝土收缩徐变的主要因素还有:粉煤灰掺量、构件理论厚度、混凝土加载龄期、横载变异、空气相对湿度、混凝土强度。

1) 取值说明

本次计算考虑的其他影响因素如表3[7-8]所示。

表3 其他影响因素计算取值

2) 规范公式模拟计算

采用JTG 3362—2018规范附录C中提供收缩徐变公式,分别模拟计算粉煤灰掺量、环境湿度、结构容重、混凝土加载龄期等不同相关因素对桥梁收缩徐变挠度影响的敏感性分析,结果如表4及图3所示。

表4 不同影响因素对应的跨中挠度计算结果

(a) 粉煤灰掺量

从图3可知,粉煤灰掺量、加载龄期、容重及空气湿度对桥梁跨中挠度影响显著,根据现行JTG 3362—2018规范,增加粉煤灰掺量对实桥计算跨中挠度敏感性大,随着粉煤灰掺量的增加,桥梁跨中挠度缓慢减小;环境湿度、结构容重、混凝土加载龄期均对桥梁跨中挠度影响显著;桥梁跨中挠度随构件理论厚度变大、混凝土强度等级的提高有变小趋势,影响不显著。

2 实桥变形监测

2.1 实桥1变形监测

选取云南1座(90+2×160+90)m连续刚构桥进行变形监测,测点布置如图4所示。该桥于2015年12月31日正式通车,自通车运营以来,在每半年左右的时间对该桥进行了运营期间主跨跨中挠度监测,至今共监测了5次,具体监测结果如表5、图5所示。

表5 实桥1 跨中挠度长期监测结果 mm

表5 不同影响因素对应的跨中挠度计算结果

单位:m

图5 实桥1跨中挠度随运营时间变化曲线

从表5及图5可知,该桥0～2年时间段内跨中挠度发展较快,测点挠度变化范围为-34 mm～-46 mm,平均为-40 mm;2～3年时间段内跨中挠度发展较为平缓,挠度变化范围为-5 mm～-8 mm,平均为-7 mm,是0～2年挠度的17.2%。

2.2 实桥2变形监测

选取重庆1座(113+200+113)m连续刚构桥进行变形监测,测点布置如图6所示。该桥于2010年7月正式通车,从2014年8月至2020年9月期间对全桥共计进行了12期的变形监测,具体监测结果如表6、图7所示。

表6 实桥2全桥挠度长期监测结果 mm

表6 不同影响因素对应的跨中挠度计算结果

单位:m

(a) 左幅夏季

从表6及图7 可以看出:1) 桥梁中跨有轻微变形,但与时间并无明显线性关系,监测期间数据相对平稳,其中左幅夏季、冬季跨中挠度波动范围分别为-3.4 mm～-20.9 mm,-2.5 mm～-18.8 mm;右幅夏季、冬季跨中挠度波动范围分别为-4.3 mm～-26.7 mm,-13.8 mm～-18.1 mm;2) 桥梁左右幅跨中挠度累计平均值波动在-11.7 mm～-13.8 mm内变化,初步可推测该桥从运营期第4年(2014年8月)后,混凝土收缩徐变已基本完成,对结构后续挠度的变化影响较小;3) 左幅L21测点数据由于测钉松动导致与相邻测点变形规律有差异,可作为异常点考虑。

3 实桥理论计算与跨中下挠预测分析[9-11]

根据设计图纸对实桥(90+2×160+90)m连续刚构桥进行有限元计算分析,且未考虑粉煤灰作用,为规避温度作用影响,选择运营期1.2年、2.0年、3.0年实测数据进行比对分析,可以得出:

1) 实桥实测值比模型计算值大得多,用JTG 3362—2018规范中模型对实桥主梁的收缩徐变位移进行对比分析,主跨跨中挠度计算值分别为-10.8 mm、-13.6 mm、-16.3 mm;与之对应的实桥实测跨中挠度平均值分别为-29.3 mm、-39.9 mm、-46.8 mm;3组数据的比值分别为2.70、2.92和2.87,平均值为2.83,即实测值是预测计算值的2.83倍,利用倍数关系预测本桥实际运营期5年、10年后的累计挠度分别为-56.8 mm、-72.1 mm。

2) 先根据实测挠度值对理论计算模型做出修正,后对跨中挠度做出预测,修正后的模型考虑1/2活载作为恒载、混凝土加载龄期由7 d改为3 d,剩余部分的位移偏差通过调整预应力损失(本桥最终考虑损失约20%)进行模型计算迭代,目标保证前3年挠度变化基本一致,利用修正后模型计算运营期1.2年、2.0年、3.0年桥梁跨中挠度分别为-29.3 mm、-36.9 mm、-43.8 mm;与之对应的实桥实测跨中挠度平均值分别为-29.3 mm、-39.9 mm、-46.8 mm;3组数据的比值分别为1.00、1.08和1.07,利用修正后的模型推测本桥实际运营期5年、10年后的累计挠度分别为-53.3 mm、-64.8 mm。

4 结论

1) 汽车荷载对桥梁跨中10年内的徐变挠度有一定影响,前3年较为明显,考虑全部汽车荷载作用下,桥梁跨中前3年累计挠度占10年累计挠度的87.1%。

2) 现行JTG 3362—2018规范新增加的粉煤灰掺量,对实桥计算桥梁结构挠度敏感性大,桥梁挠度随着粉煤灰掺量的增加而缓慢减小;环境湿度、结构容重、混凝土加载龄期与桥梁结构挠度均有显著关联性,实桥结构计算分析中应按实际采集数据进行分析。

3) 根据2座大跨度连续刚构桥长期监测结果,可推断桥梁0～2年时间段内跨中挠度发展较快,2～3年时间段内跨中挠度发展较为平缓,桥梁从运营期第4年(2014年8月)后,混凝土收缩徐变已基本完成,对结构后续挠度的变化影响较小。

4) 现行JTG 3362—2018规范中采用收缩徐变公式计算连续刚构桥桥梁挠度与实际结果差异性较大,可通过实测挠度值与数值计算的倍数关系、实桥模型参数修改方式对桥梁后期收缩徐变挠度做出预测,其结果可供同类型桥梁施工监控合理预设经验预拱度参考。