混凝土徐变对桥梁施工中挠度控制的影响研究
2017-08-21
桥梁结构复杂，其挠度的计算包含了许多非线性因素，我国在上世纪50年代开始进行徐变对混凝土结构设计的影响研究，经过多年的理论和实践，虽然徐变已较为深入，但徐变对桥梁施工中挠度的研究却较为少见，随着交通荷载的增加，对成桥质量的要求越来越高，徐变对挠度的影响分析，在桥梁施工中也越来越受到重视。
徐变是混凝土在一定的应力持续作用下发生的变形问题，影响徐变的因素有持续应力的大小、加载时间长短、混凝土配合比、养护条件及外部环境等几方面因素。现代大型桥梁通常采用悬臂法施工，在施工过程中由于荷载、混凝土龄期、集合特征的不断变化，以及徐变的影响，造成桥梁的内力会随着状态不断变化，严重时会导致桥梁不能按照预期的线形合龙，给成桥质量造成隐患。
1 徐变的基本理论
1.1 混凝土徐变性质
混凝土徐变对结构物影响很大，能够使结构变形和内部应力不断发生重分布，在混凝土结构中，徐变可能会降低混凝土承受的应力，相反增加钢筋的应力，在预应力钢筋混凝土中还会使预应力受到一定的损失。
混凝土的徐变包括可恢复部分和不可恢复两部分，恢复部分指在长期荷载作用下，卸荷后发生的瞬时弹性恢复，以及一段时间后的徐变恢复。而在应力作用下发生的变形，虽然在卸荷后仍然有一部分不能恢复到原来的状态。混凝土的徐变不仅与当前应力有关，还与应力历史有一定的联系。
1.2 徐变与影响因素之间的关系
徐变是与时间有关的变形，受到混凝土组成材料、配合比、温度湿度、构件截面几何形状、养护条件、混凝土龄期等的影响。
徐变与加载龄期的关系为加载龄期越短，徐变越大，所以要尽量避免过早的给结构施加长期荷载。徐变与配合比的关系主要为水灰比和水泥用量的影响，水灰比越大，水泥用量越多，徐变变形就越大。养护、湿度主要影响混凝土的密实性、水泥胶凝体结晶化的速度，从而造成对徐变的影响。
徐变对结构挠度变形的影响主要为，在受压区徐变会增大结构物的挠度，增大偏压柱的弯曲，降低柱的承载力，预应力构件中会导致预应力损失，组合截面的结构构件会使应力发生重分布，在超静定结构中会引起结构的次内力。
1.3 徐变的相关理论
超静定结构在长期荷载的作用下，会因徐变产生变形约束，在结构内引起次内力，截面处的初始应力会随着时间而变化，产生新的应变，所以有必要注意任意时刻应力引起的应变增量，也即是弹性应变增量和徐变应变增量。
在结构中荷载的加载时间会有一定的不同，所以研究徐变系数与加载龄期的关系是必要的，相关的理论有老化理论，其基本假设为随着加载龄期的推迟，徐变系数会不断的减少，当加载龄期无限大时，徐变系数变为零，徐变系数在这种理论下只与起算龄期和计算时间有关，这是不符合实际情况的。先天理论，其假定在不同的加载龄期情况下，徐变的变化规律是一样的，通过在坐标上水平平移徐变曲线就能够获得不同加载龄期的徐变曲线。混合理论，将老化理论和先天理论相结合，老化理论比较符合初期混凝土的加载情况，先天理论则适合后期的混凝土加载理论，将两者兼顾能够合理的变现出混凝土徐变的变化情况。
2 徐变的时效分析
2.1 徐变的时效性
桥梁结构的应力和应变都是根据工程结构的变化而不断改变的，桥梁自重荷载也是分阶段不断增加，根据徐变的性质，在混凝土加载初期发展较快，为了准确的了解结构内的应力和应变变化，需要按照施工过程不断的分析徐变带来的影响，特别是对于大型桥梁，混凝土的龄期相差较大，在施工过程中分析徐变的变化，对控制桥梁变形和应力具有重要的作用。
徐变的时效应力分析有有效弹性模量法、龄期调整有效弹性模量法、徐变率法、流动率法以及迭加法几种。其中龄期调整有效弹性模量法计算方法较为完善，能够克服微积分方程求解难的缺陷，实用性强。计算原理为得到徐变的总体增量平衡方程，表示出在当前应力状态下，结构产生的位移等效荷载以平衡徐变和收缩增量，然后将位移和内力增量累计就可以得到任意时刻的徐变应力和应变。
2.2 龄期调整有效模量法原理
混凝土可以是看作为线粘弹性的时效材料，可以采用叠加原理，也即是包括温度应变和收缩应变在内的响应之和。悬臂施工时桥梁的体系不同，可以根据实际施工将过程分为若干时段，施工的开始和结束时刻、结构体系的转换、加载和卸载时刻作为各阶段的分界点，在每个阶段进行一次全面分析，得到全部节点的位移和增量，通过各节点的相加得到整个结构体系的节点位移和节点应力状况。
3 桥梁施工中挠度控制
3.1 控制方案的制定
以悬臂桥梁施工为例，在施工过程当中要全程检测高程的变化，根据测量记录调整线型变化，保证截面的应力测量值、预应力的上挠度、挂篮的下挠度满足规范及设计要求。分段施工时由于各段的龄期不同，桥梁施工体系也不断变化，所以荷载也是一直改变的，在施工过程当中要分段计算结构内力，记录各段的挠度值，以便更准确的掌握结构状态。
测量是掌握结构应力和应变的基本保证，通过钢尺、水准仪、经纬仪和钢尺等确保测量的准确性，测量的主要方面有在灌注混凝土之前立模的标高，灌注混凝土后模板的下沉量；灌注混凝土前后、挂篮移动前后以及预应力张拉前后各梁段的高程变化；为减少温度影响，0号块浇注后，中跨合拢前要连续观测梁顶的气温变化情况；合拢前要在两个T构同一水准点联测模板标高，保证合拢的精度；测量0号段和边跨的沉降量；检测基顶的标高，检查是否有沉降。
3.2 标高控制
悬臂施工时影响挠度的原因有结构自重、混凝土产生的徐变、施工荷载以及气温影响，设计及计算时要考虑适当抬高模板高程来抵消这些因素产生的变形。预提高高程要考虑的有结构截面产生的挠度；施工荷载产生的挠度；挂篮的吊点弹性变形；挂篮支点压缩产生的竖向变形；挂篮后锚点抬高引起前吊点的竖向变形；气温变化引起的竖向变形等。
观测点的设置，在连续梁顶面中部设置临时水准点，将临时水准点和其他水准点联测，保证观测精度。
施工控制上，量测现场高程，整理数据分析，及时调整模板标高，做好预抬量，具体的现场挠度量测分为四个部分：混凝土浇筑前的模板设立、浇注后模板标高的复测、浇筑后预应力施加前各节段的梁顶高程量测、预应力施加后梁顶的高程量测。
3.3 中线和断面尺寸控制
直线桥可以直接利用导线点计算出各节块的端截面中心点坐标。挂篮模板要适当减少底模已完成的搭接长度，待浇段增加横向对杆，以保证各节段的具有平顺的接缝，严格检查符合模板尺寸，保证结构尺寸的准确性。
3.4 混凝土结构挠度变化的有限元分析
混凝土结构属于刚性构件，其应力和挠度的变化量很小，利用有限元原理和计算机工具能够明确的观测到结构的变化状态。通过分析可知混凝土构件在是否施加徐变因素下，变形有一定的不同，虽然徐变引起的挠度变形较小，但施加后其挠度变化更为接近实际。
参考文献：
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