混凝土徐變對橋梁施工中撓度控制的影響研究
2017-08-21
橋梁結構復雜，其撓度的計算包含了許多非線性因素，我國在上世紀50年代開始進行徐變對混凝土結構設計的影響研究，經(jīng)過多年的理論和實踐，雖然徐變已較為深入，但徐變對橋梁施工中撓度的研究卻較為少見，隨著交通荷載的增加，對成橋質量的要求越來越高，徐變對撓度的影響分析，在橋梁施工中也越來越受到重視。
徐變是混凝土在一定的應力持續(xù)作用下發(fā)生的變形問題，影響徐變的因素有持續(xù)應力的大小、加載時間長短、混凝土配合比、養(yǎng)護條件及外部環(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，造成橋梁的內力會隨著狀態(tài)不斷變化，嚴重時會導致橋梁不能按照預期的線形合龍，給成橋質量造成隱患。
1 徐變的基本理論
1.1 混凝土徐變性質
混凝土徐變對結構物影響很大，能夠使結構變形和內部應力不斷發(fā)生重分布，在混凝土結構中，徐變可能會降低混凝土承受的應力，相反增加鋼筋的應力，在預應力鋼筋混凝土中還會使預應力受到一定的損失。
混凝土的徐變包括可恢復部分和不可恢復兩部分，恢復部分指在長期荷載作用下，卸荷后發(fā)生的瞬時彈性恢復，以及一段時間后的徐變恢復。而在應力作用下發(fā)生的變形，雖然在卸荷后仍然有一部分不能恢復到原來的狀態(tài)?；炷恋男熳儾粌H與當前應力有關，還與應力歷史有一定的聯(lián)系。
1.2 徐變與影響因素之間的關系
徐變是與時間有關的變形，受到混凝土組成材料、配合比、溫度濕度、構件截面幾何形狀、養(yǎng)護條件、混凝土齡期等的影響。
徐變與加載齡期的關系為加載齡期越短，徐變越大，所以要盡量避免過早的給結構施加長期荷載。徐變與配合比的關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、濕度主要影響混凝土的密實性、水泥膠凝體結晶化的速度，從而造成對徐變的影響。
徐變對結構撓度變形的影響主要為，在受壓區(qū)徐變會增大結構物的撓度，增大偏壓柱的彎曲，降低柱的承載力，預應力構件中會導致預應力損失，組合截面的結構構件會使應力發(fā)生重分布，在超靜定結構中會引起結構的次內力。
1.3 徐變的相關理論
超靜定結構在長期荷載的作用下，會因徐變產(chǎn)生變形約束，在結構內引起次內力，截面處的初始應力會隨著時間而變化，產(chǎn)生新的應變，所以有必要注意任意時刻應力引起的應變增量，也即是彈性應變增量和徐變應變增量。
在結構中荷載的加載時間會有一定的不同，所以研究徐變系數(shù)與加載齡期的關系是必要的，相關的理論有老化理論，其基本假設為隨著加載齡期的推遲，徐變系數(shù)會不斷的減少，當加載齡期無限大時，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算時間有關，這是不符合實際情況的。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，通過在坐標上水平平移徐變曲線就能夠獲得不同加載齡期的徐變曲線?；旌侠碚摚瑢⒗匣碚摵拖忍炖碚撓嘟Y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 徐變的時效分析
2.1 徐變的時效性
橋梁結構的應力和應變都是根據(jù)工程結構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，在混凝土加載初期發(fā)展較快，為了準確的了解結構內的應力和應變變化，需要按照施工過程不斷的分析徐變帶來的影響，特別是對于大型橋梁，混凝土的齡期相差較大，在施工過程中分析徐變的變化，對控制橋梁變形和應力具有重要的作用。
徐變的時效應力分析有有效彈性模量法、齡期調整有效彈性模量法、徐變率法、流動率法以及迭加法幾種。其中齡期調整有效彈性模量法計算方法較為完善，能夠克服微積分方程求解難的缺陷，實用性強。計算原理為得到徐變的總體增量平衡方程，表示出在當前應力狀態(tài)下，結構產(chǎn)生的位移等效荷載以平衡徐變和收縮增量，然后將位移和內力增量累計就可以得到任意時刻的徐變應力和應變。
2.2 齡期調整有效模量法原理
混凝土可以是看作為線粘彈性的時效材料，可以采用疊加原理，也即是包括溫度應變和收縮應變在內的響應之和。懸臂施工時橋梁的體系不同，可以根據(jù)實際施工將過程分為若干時段，施工的開始和結束時刻、結構體系的轉換、加載和卸載時刻作為各階段的分界點，在每個階段進行一次全面分析，得到全部節(jié)點的位移和增量，通過各節(jié)點的相加得到整個結構體系的節(jié)點位移和節(jié)點應力狀況。
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，在施工過程當中要全程檢測高程的變化，根據(jù)測量記錄調整線型變化，保證截面的應力測量值、預應力的上撓度、掛籃的下?lián)隙葷M足規(guī)范及設計要求。分段施工時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，在施工過程當中要分段計算結構內力，記錄各段的撓度值，以便更準確的掌握結構狀態(tài)。
測量是掌握結構應力和應變的基本保證，通過鋼尺、水準儀、經(jīng)緯儀和鋼尺等確保測量的準確性，測量的主要方面有在灌注混凝土之前立模的標高，灌注混凝土后模板的下沉量；灌注混凝土前后、掛籃移動前后以及預應力張拉前后各梁段的高程變化；為減少溫度影響，0號塊澆注后，中跨合攏前要連續(xù)觀測梁頂?shù)臍鉁刈兓闆r；合攏前要在兩個T構同一水準點聯(lián)測模板標高，保證合攏的精度；測量0號段和邊跨的沉降量；檢測基頂?shù)臉烁?，檢查是否有沉降。
3.2 標高控制
懸臂施工時影響撓度的原因有結構自重、混凝土產(chǎn)生的徐變、施工荷載以及氣溫影響，設計及計算時要考慮適當抬高模板高程來抵消這些因素產(chǎn)生的變形。預提高高程要考慮的有結構截面產(chǎn)生的撓度；施工荷載產(chǎn)生的撓度；掛籃的吊點彈性變形；掛籃支點壓縮產(chǎn)生的豎向變形；掛籃后錨點抬高引起前吊點的豎向變形；氣溫變化引起的豎向變形等。
觀測點的設置，在連續(xù)梁頂面中部設置臨時水準點，將臨時水準點和其他水準點聯(lián)測，保證觀測精度。
施工控制上，量測現(xiàn)場高程，整理數(shù)據(jù)分析，及時調整模板標高，做好預抬量，具體的現(xiàn)場撓度量測分為四個部分：混凝土澆筑前的模板設立、澆注后模板標高的復測、澆筑后預應力施加前各節(jié)段的梁頂高程量測、預應力施加后梁頂?shù)母叱塘繙y。
3.3 中線和斷面尺寸控制
直線橋可以直接利用導線點計算出各節(jié)塊的端截面中心點坐標。掛籃模板要適當減少底模已完成的搭接長度，待澆段增加橫向對桿，以保證各節(jié)段的具有平順的接縫，嚴格檢查符合模板尺寸，保證結構尺寸的準確性。
3.4 混凝土結構撓度變化的有限元分析
混凝土結構屬于剛性構件，其應力和撓度的變化量很小，利用有限元原理和計算機工具能夠明確的觀測到結構的變化狀態(tài)。通過分析可知混凝土構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際。
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