混凝土徐變對(duì)橋梁施工中撓度控制的影響研究
2017-08-21
橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其撓度的計(jì)算包含了許多非線(xiàn)性因素，我國(guó)在上世紀(jì)50年代開(kāi)始進(jìn)行徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響研究，經(jīng)過(guò)多年的理論和實(shí)踐，雖然徐變已較為深入，但徐變對(duì)橋梁施工中撓度的研究卻較為少見(jiàn)，隨著交通荷載的增加，對(duì)成橋質(zhì)量的要求越來(lái)越高，徐變對(duì)撓度的影響分析，在橋梁施工中也越來(lái)越受到重視。
徐變是混凝土在一定的應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生的變形問(wèn)題，影響徐變的因素有持續(xù)應(yīng)力的大小、加載時(shí)間長(zhǎng)短、混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)條件及外部環(huán)境等幾方面因素。現(xiàn)代大型橋梁通常采用懸臂法施工，在施工過(guò)程中由于荷載、混凝土齡期、集合特征的不斷變化，以及徐變的影響，造成橋梁的內(nèi)力會(huì)隨著狀態(tài)不斷變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁不能按照預(yù)期的線(xiàn)形合龍，給成橋質(zhì)量造成隱患。
1 徐變的基本理論
1.1 混凝土徐變性質(zhì)
混凝土徐變對(duì)結(jié)構(gòu)物影響很大，能夠使結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)部應(yīng)力不斷發(fā)生重分布，在混凝土結(jié)構(gòu)中，徐變可能會(huì)降低混凝土承受的應(yīng)力，相反增加鋼筋的應(yīng)力，在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中還會(huì)使預(yù)應(yīng)力受到一定的損失。
混凝土的徐變包括可恢復(fù)部分和不可恢復(fù)兩部分，恢復(fù)部分指在長(zhǎng)期荷載作用下，卸荷后發(fā)生的瞬時(shí)彈性恢復(fù)，以及一段時(shí)間后的徐變恢復(fù)。而在應(yīng)力作用下發(fā)生的變形，雖然在卸荷后仍然有一部分不能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。混凝土的徐變不僅與當(dāng)前應(yīng)力有關(guān)，還與應(yīng)力歷史有一定的聯(lián)系。
1.2 徐變與影響因素之間的關(guān)系
徐變是與時(shí)間有關(guān)的變形，受到混凝土組成材料、配合比、溫度濕度、構(gòu)件截面幾何形狀、養(yǎng)護(hù)條件、混凝土齡期等的影響。
徐變與加載齡期的關(guān)系為加載齡期越短，徐變?cè)酱螅砸M量避免過(guò)早的給結(jié)構(gòu)施加長(zhǎng)期荷載。徐變與配合比的關(guān)系主要為水灰比和水泥用量的影響，水灰比越大，水泥用量越多，徐變變形就越大。養(yǎng)護(hù)、濕度主要影響混凝土的密實(shí)性、水泥膠凝體結(jié)晶化的速度，從而造成對(duì)徐變的影響。
徐變對(duì)結(jié)構(gòu)撓度變形的影響主要為，在受壓區(qū)徐變會(huì)增大結(jié)構(gòu)物的撓度，增大偏壓柱的彎曲，降低柱的承載力，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，組合截面的結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)使應(yīng)力發(fā)生重分布，在超靜定結(jié)構(gòu)中會(huì)引起結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力。
1.3 徐變的相關(guān)理論
超靜定結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載的作用下，會(huì)因徐變產(chǎn)生變形約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)引起次內(nèi)力，截面處的初始應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間而變化，產(chǎn)生新的應(yīng)變，所以有必要注意任意時(shí)刻應(yīng)力引起的應(yīng)變?cè)隽?，也即是彈性?yīng)變?cè)隽亢托熳儜?yīng)變?cè)隽俊?
在結(jié)構(gòu)中荷載的加載時(shí)間會(huì)有一定的不同，所以研究徐變系數(shù)與加載齡期的關(guān)系是必要的，相關(guān)的理論有老化理論，其基本假設(shè)為隨著加載齡期的推遲，徐變系數(shù)會(huì)不斷的減少，當(dāng)加載齡期無(wú)限大時(shí)，徐變系數(shù)變?yōu)榱?，徐變系?shù)在這種理論下只與起算齡期和計(jì)算時(shí)間有關(guān)，這是不符合實(shí)際情況的。先天理論，其假定在不同的加載齡期情況下，徐變的變化規(guī)律是一樣的，通過(guò)在坐標(biāo)上水平平移徐變曲線(xiàn)就能夠獲得不同加載齡期的徐變曲線(xiàn)?；旌侠碚摚瑢⒗匣碚摵拖忍炖碚撓嘟Y(jié)合，老化理論比較符合初期混凝土的加載情況，先天理論則適合后期的混凝土加載理論，將兩者兼顧能夠合理的變現(xiàn)出混凝土徐變的變化情況。
2 徐變的時(shí)效分析
2.1 徐變的時(shí)效性
橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變都是根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的變化而不斷改變的，橋梁自重荷載也是分階段不斷增加，根據(jù)徐變的性質(zhì)，在混凝土加載初期發(fā)展較快，為了準(zhǔn)確的了解結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變變化，需要按照施工過(guò)程不斷的分析徐變帶來(lái)的影響，特別是對(duì)于大型橋梁，混凝土的齡期相差較大，在施工過(guò)程中分析徐變的變化，對(duì)控制橋梁變形和應(yīng)力具有重要的作用。
徐變的時(shí)效應(yīng)力分析有有效彈性模量法、齡期調(diào)整有效彈性模量法、徐變率法、流動(dòng)率法以及迭加法幾種。其中齡期調(diào)整有效彈性模量法計(jì)算方法較為完善，能夠克服微積分方程求解難的缺陷，實(shí)用性強(qiáng)。計(jì)算原理為得到徐變的總體增量平衡方程，表示出在當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移等效荷載以平衡徐變和收縮增量，然后將位移和內(nèi)力增量累計(jì)就可以得到任意時(shí)刻的徐變應(yīng)力和應(yīng)變。
2.2 齡期調(diào)整有效模量法原理
混凝土可以是看作為線(xiàn)粘彈性的時(shí)效材料，可以采用疊加原理，也即是包括溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變?cè)趦?nèi)的響應(yīng)之和。懸臂施工時(shí)橋梁的體系不同，可以根據(jù)實(shí)際施工將過(guò)程分為若干時(shí)段，施工的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻、結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換、加載和卸載時(shí)刻作為各階段的分界點(diǎn)，在每個(gè)階段進(jìn)行一次全面分析，得到全部節(jié)點(diǎn)的位移和增量，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的相加得到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力狀況。
3 橋梁施工中撓度控制
3.1 控制方案的制定
以懸臂橋梁施工為例，在施工過(guò)程當(dāng)中要全程檢測(cè)高程的變化，根據(jù)測(cè)量記錄調(diào)整線(xiàn)型變化，保證截面的應(yīng)力測(cè)量值、預(yù)應(yīng)力的上撓度、掛籃的下?lián)隙葷M(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。分段施工時(shí)由于各段的齡期不同，橋梁施工體系也不斷變化，所以荷載也是一直改變的，在施工過(guò)程當(dāng)中要分段計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，記錄各段的撓度值，以便更準(zhǔn)確的掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
測(cè)量是掌握結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變的基本保證，通過(guò)鋼尺、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀和鋼尺等確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量的主要方面有在灌注混凝土之前立模的標(biāo)高，灌注混凝土后模板的下沉量；灌注混凝土前后、掛籃移動(dòng)前后以及預(yù)應(yīng)力張拉前后各梁段的高程變化；為減少溫度影響，0號(hào)塊澆注后，中跨合攏前要連續(xù)觀測(cè)梁頂?shù)臍鉁刈兓闆r；合攏前要在兩個(gè)T構(gòu)同一水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)模板標(biāo)高，保證合攏的精度；測(cè)量0號(hào)段和邊跨的沉降量；檢測(cè)基頂?shù)臉?biāo)高，檢查是否有沉降。
3.2 標(biāo)高控制
懸臂施工時(shí)影響撓度的原因有結(jié)構(gòu)自重、混凝土產(chǎn)生的徐變、施工荷載以及氣溫影響，設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)要考慮適當(dāng)抬高模板高程來(lái)抵消這些因素產(chǎn)生的變形。預(yù)提高高程要考慮的有結(jié)構(gòu)截面產(chǎn)生的撓度；施工荷載產(chǎn)生的撓度；掛籃的吊點(diǎn)彈性變形；掛籃支點(diǎn)壓縮產(chǎn)生的豎向變形；掛籃后錨點(diǎn)抬高引起前吊點(diǎn)的豎向變形；氣溫變化引起的豎向變形等。
觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，在連續(xù)梁頂面中部設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，將臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)和其他水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，保證觀測(cè)精度。
施工控制上，量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)高程，整理數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整模板標(biāo)高，做好預(yù)抬量，具體的現(xiàn)場(chǎng)撓度量測(cè)分為四個(gè)部分：混凝土澆筑前的模板設(shè)立、澆注后模板標(biāo)高的復(fù)測(cè)、澆筑后預(yù)應(yīng)力施加前各節(jié)段的梁頂高程量測(cè)、預(yù)應(yīng)力施加后梁頂?shù)母叱塘繙y(cè)。
3.3 中線(xiàn)和斷面尺寸控制
直線(xiàn)橋可以直接利用導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)計(jì)算出各節(jié)塊的端截面中心點(diǎn)坐標(biāo)。掛籃模板要適當(dāng)減少底模已完成的搭接長(zhǎng)度，待澆段增加橫向?qū)U，以保證各節(jié)段的具有平順的接縫，嚴(yán)格檢查符合模板尺寸，保證結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確性。
3.4 混凝土結(jié)構(gòu)撓度變化的有限元分析
混凝土結(jié)構(gòu)屬于剛性構(gòu)件，其應(yīng)力和撓度的變化量很小，利用有限元原理和計(jì)算機(jī)工具能夠明確的觀測(cè)到結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài)。通過(guò)分析可知混凝土構(gòu)件在是否施加徐變因素下，變形有一定的不同，雖然徐變引起的撓度變形較小，但施加后其撓度變化更為接近實(shí)際。
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