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拦绍璩
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第 14 卷第 8 期铁道科学与工程学报 Volume 14 Number 8 2017 年 8 月 Journal of Railway Science and Engineering August 2017 短线法简支转连续刚构桥收缩徐变效应分析方淑君, 余豪, 杨耀 ( 中南大学土木工程学院, 湖南长沙 410075) 摘要 : 以某四跨一联简支转连续刚构桥 ( 跨径

1 第 14 卷第 8 期铁道科学与工程学报 Volume 14 Number 年 8 月 Journal of Railway Science and Engineering August 2017 短线法简支转连续刚构桥收缩徐变效应分析方淑君, 余豪, 杨耀 ( 中南大学土木工程学院, 湖南长沙 ) 摘要 : 以某四跨一联简支转连续刚构桥 ( 跨径 ( ) m) 为例, 采用 Midas-civil 建立连续刚构桥全桥分析模型, 对主梁分别采用不同存梁期预制梁的连续刚构桥, 计算其桥墩和主梁的相关变形及内力研究结果表明 : 预制梁混凝土早期自收缩发展较快, 同时由于收缩徐变效应与混凝土龄期直接相关, 存梁期对结构内力和变形影响较大, 建议施工中采用存梁期大于 90 d 预制梁由于收缩徐变作用, 与 30 d 存梁期相比,90 d 和 180 d 存梁期成桥墩顶内力分别减小 11.8% 和 20.2%, 成桥跨中挠度分别减少 19.2% 和 31% 在主梁施工控制时必须考虑实际存梁期来调整结构线形分析结构体系转换后主梁内力及变形可知, 主梁收缩徐变内力重分布及变形基本在 3 a 内完成, 后期变化逐步平稳, 但边墩受收缩徐变影响时间相对较长, 验证了本桥型边墩施工顺序及采用柔性设计的合理性关键词 : 短线法 ; 存梁期 ; 有限元分析 ; 简支转连续刚构桥 ; 收缩徐变中图分类号 :U448 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) Research on shrinkage & creep characteristics of simply supported to continuous rigid frame bridge with short line method FANG Shujun, YU Hao, YANG Yao (School of Civil Engineering, Central South University, Changsha , China) Abstract: A simply-supported to continuous rigid frame bridge with its four spans ( ) m was used as a research object. The software Midas-civi was used to set up finite element model for whole bridge. The bridge with different beam ages at erection were modeled respectively. The internal force and deformation of beam and piers were studied considering the concrete long-term shrinkage and creep effect. The results show that, the autogenous shrinkage of concrete reacts rapidly in the beginning. Meanwhile, the shrinkage and creep are closely related with time parameter. The age at erection has much influence on the force redistribution and deformation of the beam. The precast beams with age at erection more than 90 days are recommended to be used in the construction. Compared with the 30 days stored precast beam, the forces of the pier-top beam with 90 and 180 days storage time decrease 11.8% and 20.2% respectively. The stored time has a negligible effect on the shrinkage and creep. The real stored time must be taken into consideration when adjusting the pre-camber degree. Results from analyses show that the shrinkage and creep of the beam are nearly complete in the first three years after the construction finished while the side piers have a relative longer influence time, this verifies the design and constuction of side-piers are rational. 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 通信作者 : 方淑君 (1974 ), 女, 浙江义乌人, 副教授, 从事桥梁结构空间分析与极限承载力研究 ;E mail:xbyujun@csu.edu.cn

2 第 8 期方淑君, 等 : 短线法简支转连续刚构桥收缩徐变效应分析 1675 Key words: short line method; age at erection; finite element analysis; simply supported to continuous rigid frame bridge; shrinkage and creep 短线法节段预制技术是将主梁在纵向分为若干节段, 在工厂分段预制成形, 主梁施工时通过在各节段梁间涂抹环氧树脂及预应力张拉将各节段梁拼装形成整体短线法预制梁所需场地较小, 可标准化生产, 桥梁的线形可通过调整匹配梁段的相对位置来实现, 适应性较好 [1 2] 主梁通过拼装架设施工吊挂系统进行节段梁现场吊装施工, 能有效缩短施工周期和减少施工对城市交通及环境的影响 [3 5] 短线法施工技术在欧美已经非常成熟并得到了广泛应用 [6 7] 混凝土收缩徐变是材料本身特有的时变特性, 随着时间的推移不断发生变化, 严重影响混凝土的耐久性能和长期变形性能 [8 10] 预制拼装梁与传统现浇梁在混凝土材龄上存在较大差异, 对于预制拼装连续梁桥的收缩徐变特性国内外的研究均较多, 但对于连续刚构桥其相关研究较少由于全桥刚构体系结构超静定次数高, 且施工过程中体系转换过程多, 收缩徐变对结构的影响更为复杂 [11 12] 本文以某短线法施工连续刚构桥为研究对象, 考虑不同存梁期与体系转换时间对混凝土收缩徐变的影响, 分析主梁和桥墩关键部位内力和变形的时变差异, 研究短线法简支转连续刚构桥的混凝土收缩徐变效应, 对该结构的施工设计提出相关建议 1 工程概况以广州市轨道交通 21 号线某四跨一联 ( ) m 简支转连续刚构桥为研究对象本桥主梁采用等高度箱梁, 梁高 2.0 m, 标准段预制梁截面和湿接缝截面尺寸如图 1 预制箱梁采用 C60 混凝土, 普通钢筋为 HPB300 和 HRB400 2 种, 节段梁养护采用覆盖洒水养护及蒸汽加温养护 2 种方式, 外界温度大于 20 时覆盖洒水养护 ; 外界温度小于 20 时蒸汽加热养护, 预制成形的箱梁节段养护期为 36 h 主梁纵向预应力钢筋抗拉强度标准值为 MPa, 全桥预应力体系如图 2 所示桥墩采用为矩形变截面, 中墩及次中墩顺桥向厚度为 1.2 m; 边墩采用柔性设计, 顺桥向厚度为 0.75 m 桥梁设计荷载标准为双线轻轨活载, 二期恒载取 90 kn/m 桥墩及主梁施工顺序如图 2 图 1 主梁截面图 Fig. 1 Sections of the beam 1) 施工基础承台桥墩和中墩及次中墩墩顶 0 号块, 搭建各墩临时支撑 2) 移动架桥机至第一施工跨, 运梁车喂梁, 依次吊装全部预制节段 ( 预留涂环氧树脂的空间 ); 调

3 1676 铁道科学与工程学报 2017 年 8 月整线形及临时固定边墩墩顶段位置 ; 依次涂抹节间环氧树脂, 张拉临时紧固装置处理根据边跨中跨预制节段长度进行有限元划分, 分别为 14 个预制节段全桥共 129 个节点, 128 个单元分析时假定简支梁段吊装就位, 并通过紧固装置拼装 3) 张拉梁段内边跨简支预应力钢束, 并及时压浆 ; 利用架桥机两边吊杆落梁至临时支撑上, 并微调梁体标高线形图 3 刚构桥全桥有限元模型 Fig. 3 Finite element model for whole bridge of rigid-frame bridge 4) 重复 2) 和 3) 施工工程依次施工完成四跨吊装简支梁 5) 浇筑预制主梁与中墩墩顶现浇段湿接缝 ; 待混凝土达到规定养护条件 ( 混凝土达到 100% 强度及弹性模量不小于 7 d 龄期 ) 张拉主梁连续钢束 ; 拆除中墩临时支撑 6) 浇筑边墩墩顶后浇带及封锚 ; 待后浇带混凝土达到养护条件且相邻梁施工完毕后拆除边墩临时支撑 ; 施工桥面铺装及相关设备安装图 2 施工顺序图 Fig. 2 Construction sequences 2 有限元模型采用有限元软件 Midas-civil 建立全桥结构模型 ( 图 3) 模型中, 桥墩及主梁结构采用梁单元模拟, 临时钢管支架采用弹性支撑模拟, 承台底采用固结 2.1 材料参数 1) 主梁采用 C60 混凝土, 其弹性模量为 MPa, 轴心抗压强度 40 MPa, 轴心抗拉强度 3.5 MPa 2) 桥墩采用 C50 混凝土, 其弹性模量为 MPa, 轴心抗压强度 33.5 MPa, 轴心抗拉强度 3.1 MPa 3) 预应力钢绞线规格为 Φ s 15.2 mm, 其弹性模量为 MPa, 管道摩擦因数 0.17, 管道偏差系数 , 钢筋松弛率 2.5%, 锚固变形钢筋回缩变形值 6 mm, 张拉锚下控制应力 MPa 2.2 计算荷载 1) 结构自重 : 主梁自重计算考虑普通钢筋影响, 计算容重 26 kn/m 3 2) 运营活载 : 桥梁运营荷载为双线轻轨活载 3) 预应力 : 张拉锚下控制应力 MPa 4) 二期恒载 :90 kn/m 5) 收缩徐变 : 采用 CEB-FIP(90) [13] 模型计算至二期恒载施工后 d 3 存梁期对收缩徐变的影响 3.1 存梁期主梁自收缩作用节段箱梁从预制成形至吊装拼接就位并参与主梁结构受力有一段时间间隔, 由于混凝土自收缩作用, 期间箱梁会产生纵向收缩变形, 同时后期混凝土徐变效应也会因龄期不同而产生差异, 将这段时间定义为预制箱梁的存梁期根据 JTG D62

4 第 8 期方淑君, 等 : 短线法简支转连续刚构桥收缩徐变效应分析规范 [14], 节段预制梁在存梁期内由于混凝土自收缩的变形计算方法为 : ε (, tt) = ε β ( t t) (1) cs s cso s s ε = ε ( f ) β (2) cso s cm RH 6 [ β ] ε ( f ) = (9 f / f ) 10 (3) s cm sc cm cmo 3 βrh = ( RH / RH0) (4) 式中 : ε cs (, tt s ) 为收缩开始时的龄期 t s, 计算考虑的龄期为 t 时的收缩徐变 ;RH 为环境年平均相对湿度,%;f cm 为强度等级混凝土在 28 d 龄期平均立方体抗压强度 ;ε cso 为名义收缩系数 ;β s 为收缩随时间发展的系数 ;β sc 为依水泥种类而定的系数, 对一般硅酸盐水泥或快硬水泥,β sc =5.0 本文分别采用有限元软件 ( 收缩徐变 CEB-FIP (90) 模式 ) 与 04 规范公式计算不同存梁期下一跨 40 m 节段预制梁的收缩变形终极值, 考虑存梁期 ( 开始进入工作状态的混凝土龄期 ) 从 7( 现浇梁 )~720 d, 计算结果如表 1 减少 33.4% CEB-FIP(90) 规范与 JTG 04 规范计算结果均显示存梁期越久, 箱梁纵向收缩变形终极值越小由此可知, 存梁期越久, 主梁后期收缩徐变作用越小, 存梁期对结构收缩徐变效应有不可忽略的影响 3.2 存梁期对成桥结构变形影响由简支转连续刚构桥的超静定结构体系特点可知, 收缩徐变作用是结构后期变形和内力重分布的主要原因对于全桥墩梁固结的连续刚构体系桥墩变形及主梁挠度是结构施工控制的关键, 考虑预拱度荷载 ( 恒载 +1/2 活载 ) [15] 作用主梁跨中挠度及墩顶位移如图 4, 考虑收缩徐变作用的主梁挠度如图 5 所示表 1 40 m 节段预制梁不同存梁期收缩变形终极值 Table 1 Ultimate value of shrinkage strain of 40 m segment precast beams in different stored time 收缩变形终极值 /mm 存梁期 /d JTG D CEB-FIP(90) 由表 1 计算结果可知, 同现浇箱梁相比,60 d 存梁期梁体纵向收缩值减少了 11.3%,150 d 存梁期梁体纵向收缩值减少了 21.5%,365 d 存梁期收缩值图 4 不同存梁期跨中挠度及墩顶位移值 Fig. 4 Beam deflection and pier deformation in different age at erection 由图 4 数据分析可知, 预制梁存梁期越久, 成桥结构跨中挠度与墩顶位移越小在恒载 +1/2 活载作用下, 与 30 d 存梁期预制梁相比,90 d 存梁期边跨跨中挠度减小 9.2%, 中跨挠度减小 8.6%, 墩顶位移平均减小 9.9%;180 d 存梁期边跨跨中挠度减小 14.6%, 中跨跨中挠度减小 13.3%, 墩顶位移平均减小 21% 同时可知当存梁期大于 90 d 时主梁边跨及中跨跨中挠度变化趋于稳定, 桥墩后期变形也较为平缓, 建议在条件允许时, 在实际施工中采用存梁期大于 90 d 的预制箱梁由图 5 数据可知, 与 30 d 存梁期节段梁相比, 90 d 存梁期边墩墩顶弯矩减小 10.1%, 次中墩墩顶弯矩减小 13.4%, 同时边跨跨中挠度减小 17.8%,

在后期现场施工线形控制过程中也应就具体存梁期修正预测模型, 对施工预拱度进行相应调整, 以保证后期铺装和运营阶段线路的平顺度 3.

5 1678 铁道科学与工程学报 2017 年 8 月中跨跨中挠度减小 20.5%;180 d 存梁期边墩墩顶弯矩减小 17.1%, 次中墩墩顶弯矩减小 23.3%, 边跨跨中挠度减小 29.5%, 中跨跨中挠度减小 32.5% 图 5 收缩徐变作用主桥挠度图 Fig. 5 Bridge deflection due to shrinkage & creep 收缩徐变作用与存梁期密切相关, 存梁期对预制拼装连续刚构桥结构受力和变形具有不可忽略的影响短线法预制箱梁为相邻节段匹配施工, 需要在施工每个节块前就调整好全桥的结构预拱度, 故节段在工厂预制施工时应预先估计该桥的节段存梁期, 以调整节段预制线形 ; 在后期现场施工线形控制过程中也应就具体存梁期修正预测模型, 对施工预拱度进行相应调整, 以保证后期铺装和运营阶段线路的平顺度 3.3 成桥后收缩徐变的长期作用效应分别选取主梁中墩次中墩和边墩各墩顶主梁截面弯矩为主梁收缩徐变效应控制参数, 分析主梁采用 30,90 和 180 d 存梁期节段梁桥梁, 成桥后各时段墩顶梁截面弯矩内力变化即主梁内力重分布分别如图 6 所示由图 6 可知, 成桥后随着时间的推移边墩次中墩和中墩的内力发生变化, 这即是超静定结构的内力重分布由图中曲线变化规律可知, 收缩徐变造成边墩和次中墩墩顶的结构次内力随时间慢慢增大, 同时中墩墩顶内力减小由图 6(a) 和 6(b) 可知, 中墩及次中墩内力重分布基本在成桥 3 a 内完成, 后期结构内力变化不大由于边墩最后参与结构受力且其受主梁变形影响效应最大, 故其内力重分布影响时间较长 (a) 边墩墩顶梁截面弯矩 ; (b) 次中墩墩顶梁截面弯矩 ; (c) 中墩墩顶梁截面弯矩图 6 墩顶梁截面内力变化 Fig. 6 Internal force of the pier-top beam sections 边墩内力变化与墩身变形直接相关, 即主梁梁端在边墩合拢后的收缩变形将引起墩身变形受弯, 分析 30,90 和 180 d 存梁期主梁成桥后徐变变形主梁梁端徐变位移变化如图 7 所示由图 7 主梁梁端收缩变化曲线和图 6(a) 边墩墩顶弯矩变化曲线可知, 在成桥后较长的一段时间内边墩墩顶主梁变形及内力重分布持续发生, 同时这

6 第 8 期方淑君, 等 : 短线法简支转连续刚构桥收缩徐变效应分析 1679 也验证了边墩采用柔性设计的合理性, 边墩是这种简支转连续刚构桥设计和施工的关键控制因素, 在实际施工时应根据实际存梁期合理调整边墩的后仰量以保证桥墩在运营阶段的正常工作性能墩尽量晚地参与到主梁结构受力, 以减小其变形及墩身内力, 本桥的柔性边墩设计是非常必要且合理的参考文献 : 4 结论图 7 梁端徐变值 Fig. 7 Creep deformation in the end of bridge 1) 混凝土早期自收缩作用较快, 同时存梁期会影响预制节段进入工作状态后的收缩徐变效应, 存梁期对全桥结构后期变形具有较大影响, 在制作短线法预制梁与线形施工监控过程时应考虑具体存梁期调整相应梁段置 ; 当存梁期大于 90 d 时, 混凝土自收缩效应基本完成, 后期徐变效应对结构挠度的影响也较小, 建议施工在条件允许时采用存梁期 90 d 以上的预制梁 2) 由收缩徐变对结构超静定的作用知, 同 30 d 存梁期结构相比,90 和 180 d 存梁期墩顶内力分别减小约 11.8% 和 20.2% 收缩徐变作用下主梁挠度随存梁期时间增大而减小, 与 30 d 存梁期结构相比,90 和 180 d 存梁期跨中挠度分别减小约 19.2% 和 31%, 存梁期对收缩徐变效应有较大的影响 3) 本文所研究桥梁结构有多次体系转换, 而收缩徐变是结构体系转换后内力重分布的主要原因, 分析成桥后 10 a 内主梁关键截面内力变化可知, 在收缩徐变作用下, 边墩与次中墩墩顶内力不断增大, 中墩墩顶内力减小, 这种内力重分布主要发生在成桥 3 a 内, 后期结构受力趋于稳定 ; 边墩为本桥施工控制的关键因素, 其需承担主梁后期的全部变形影响且受影响时间相对较长, 在施工中应让边 [1] 申兆繁. 广州地铁 4 号线节段拼装梁设计 [J]. 铁道标准设计, 2008, 52(8): SHEN Zhaofan. Design of precast segmental girders for Guangzhou metro line 4[J]. Railway Standard Design, 2008, 52(8): [2] 何旭辉, 马广. 预应力混凝土箱梁短线法节段预制线形控制 [J]. 桥梁建设, 2009, 39(5): HE Xuhui, MA Guang. Geometric shape control of precasting of PC box girder segments by short-line match method[j]. Bridge Construction, 2009, 39(5): [3] 梅秀道, 李亚民, 李志. 预制节段逐跨拼装假设施工吊挂系统受力分析 [J]. 桥梁建设, 2013, 43(1): MEI Xiudao, LI Yamin, LI Zhi. Force analysis of suspending system for span-by-span assembling and erection of precast segment[j]. Bridge Construction, 2013, 43(1): [4] 张立青. 节段预制拼装法建造桥梁技术综述 [J]. 铁道标准设计, 2014, 58(12): ZHANG Liqing. The summary of technologies for building bridges with assembled precast segments[j]. Railway Standard Design, 2014, 58(12): [5] 孙峻岭. 无支座体系桥梁节段预制的制造方法 : CN B[P] SUN Junling. Method for manufacturing prefabricated section of support system bridge section: CN B[P] [6] Michael D Hyzak, Amy E Eskridge, Dean van landuyt. Current state of segmental bridge design/construction in texas[c]// Structure Congress, 2009: [7] Matt P. Status of segmental bridge construction in europe[j]. PCI Journal, 1983, 28(3): [8] 韩伟威, 吕毅刚. 混凝土收缩徐变预测模型试验研究 [J]. 中南大学学报 ( 自然科学版 ), 2016, 47(10): HAN Weiwei, LÜ Yigang. Experimental research on prediction model of concrete shrinkage and creep[j]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(10):

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Revit Revit Revit BIM BIM 7-9 3D 1 BIM BIM 6 Revit 0 4D 1 2 Revit Revit 2. 1 Revit Revit Revit Revit 2 2 Autodesk Revit Aut 60 2 2016 2 RAILWAY STANDARD DESIGN Vol. 60 No. 2 Feb. 2016 1004-2954201602-0071-06 BIM 1 1 2 2 1 1. 7140992. 710054 BIM BIM 3D 4D nd BIM 1 3D 4D Revit BIM BIM U442. 5TP391. 72 A DOI10. 13238 /j. issn.