大跨連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變模型試驗(yàn)研究

熊志朋 陳 瑛 黃福偉

(1.江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司 南昌 330200； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400067)

連續(xù)剛構(gòu)橋在運(yùn)營過程中主跨跨中下?lián)衔灰埔恢痹龃骩1]，將直接影響橋梁的使用壽命、行車的平順舒適，甚至可能危及高速行車的安全。根據(jù)以往資料研究和專家探討，引起跨中下?lián)系淖钪饕囊蛩刂皇腔炷潦湛s徐變。正確地分析混凝土收縮徐變的影響，對(duì)混凝土的收縮徐變的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并提供準(zhǔn)確的收縮徐變值是工程研究人員的重大課題。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的混凝土收縮和徐變開展了大量試驗(yàn)和理論的研究[2-3]，取得了豐碩的成果。但是，由于受到混凝土材料、橋梁結(jié)構(gòu)及受力、橋位環(huán)境等影響，研究結(jié)論存在較大差異。因此，有必要進(jìn)一步開展針對(duì)不同環(huán)境、不同原材料的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土收縮和徐變的研究，以更好地指導(dǎo)具體橋梁的設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)。

1 工程概述

圖1 大橋總體布置圖(單位：cm)

2 縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[4]是以相似理論為依據(jù)，使模型與真型的全部或者部分特征相似，然后通過模型的試驗(yàn)結(jié)果反算出真型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

蘇聯(lián)基爾皮契夫院士與古赫曼院士在1930年提出了相似第三定律，即物體幾何相似、相似判據(jù)相等，以及邊界條件、運(yùn)動(dòng)初始條件相似都需得到滿足。

2.1 模型尺寸與制作

2.1.1模型尺寸設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)場(chǎng)地的限制等，遵循模型試驗(yàn)的相似理論(即模型和實(shí)橋幾何尺寸相似，模型和實(shí)橋?qū)?yīng)的跨中截面剛度相似)，選用幾何縮尺比1∶40制作2個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

模型1：三跨連續(xù)剛構(gòu)模型。

模型2：簡(jiǎn)支梁模型。

通過計(jì)算和分析，綜合考慮選用等截面實(shí)心矩形梁，并確定截面尺寸為300 mm×300 mm，并在截面中心張拉預(yù)應(yīng)力，使試驗(yàn)梁成為軸心受壓預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

模型的結(jié)構(gòu)尺寸圖見圖2。

因?qū)嶋H地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)相差較大，壩體中碎石夾層較厚，且原壩體曾進(jìn)行過黏土灌漿，破壞了壩體土的結(jié)構(gòu)，致使本項(xiàng)目施工中普遍存在槽口坍塌現(xiàn)象。對(duì)此，采取了設(shè)鋼管密集樁、加深導(dǎo)向槽、改善泥漿固壁效果（加膨潤土）等施工方法。對(duì)坍塌嚴(yán)重的4個(gè)槽孔，為保證施工機(jī)械、人員及大壩壩體的安全，進(jìn)行了黏土回填重新造孔。

圖2 模型結(jié)構(gòu)尺寸(單位：cm)

2.1.2縮尺模型施工工序

模型1。加載按照實(shí)際橋梁的類似的施工步驟進(jìn)行，先基礎(chǔ)施工，然后橋墩和零號(hào)塊施工、節(jié)段施工，最后完成邊跨合龍與中跨合龍，模型橋成橋后對(duì)鋼束進(jìn)行一次張拉。采用滿布支架的現(xiàn)澆法，分4次澆筑混凝土，每次施工間隔7 d。試驗(yàn)梁全橋施工完成，并養(yǎng)護(hù)7 d后拆模，在拆模后的第14 d開始對(duì)實(shí)驗(yàn)梁穿預(yù)應(yīng)力束，并安裝鋼弦式荷載傳感器以便測(cè)量預(yù)應(yīng)力損失值，張拉預(yù)應(yīng)力后的第2 d對(duì)預(yù)應(yīng)力管道灌漿。

模型2。制作過程由基礎(chǔ)施工、橋墩施工和簡(jiǎn)支梁現(xiàn)澆等部分組成。采用滿布支架的現(xiàn)澆法，分3次澆筑混凝土，每次施工間隔7 d。張拉與灌漿同模型1。

2.2 縮尺模型試驗(yàn)荷載

2.2.1試驗(yàn)加載

根據(jù)等效原則，對(duì)模型關(guān)鍵截面的內(nèi)力進(jìn)行等效計(jì)算。即在跨中施加了2個(gè)間距1 m的集中荷載來反算縮尺模型試驗(yàn)值。經(jīng)過計(jì)算得出，模型1施加荷載為23.0 kN，模型2施加荷載為7.4 kN?？s尺模型現(xiàn)場(chǎng)加載圖見圖3。

圖3 模型加載

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)模型1在中跨跨中、橋墩的支點(diǎn)的上緣和下緣布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在橋墩、邊跨1/2、中跨1/4和1/2處布置撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖見圖4。

圖4 模型1測(cè)點(diǎn)布置圖

對(duì)模型2在跨中的上緣和下緣布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在橋墩處，1/4處、1/2處布置撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖見圖5。

圖5 模型2測(cè)點(diǎn)布置圖

3 徐變系數(shù)

混凝土的徐變是構(gòu)件施加荷載保持恒定的情況下，徐變變形隨時(shí)間增加的表征，通常徐變是由徐變系數(shù)[5]來表示的，徐變變形在工程中多用應(yīng)變、位移來表征。

即徐變系數(shù)

(1)

式中：φ(t,τ)為在時(shí)間τ施加不變荷載作用至?xí)r間t的徐變系數(shù)；fτ為初始彈性位移(應(yīng)變)；ft為加載到t時(shí)的徐變位移(應(yīng)變)；f為總位移(應(yīng)變)，即每次的實(shí)測(cè)位移(應(yīng)變)值。

4 縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

限于篇幅，未列出全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境平均相對(duì)濕度為71%，溫度為23 ℃，縮尺模型理論厚度為150 mm，體表比V/S=75 mm。各縮尺模型部分實(shí)測(cè)跨中位移值(扣除剛體位移的變形，不考慮尺寸效應(yīng))見表1。

表1 各縮尺模型實(shí)測(cè)跨中位移

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)測(cè)的跨中位移是綜合效應(yīng)一起引起的位移，由徐變系數(shù)的定義可知，排除收縮和鋼束等影響，分離出徐變引起的跨中位移，然而在實(shí)際工程試驗(yàn)中很難分離計(jì)算，故近似采用實(shí)測(cè)位移減去JTG 3362-2018規(guī)范[6]預(yù)測(cè)模型計(jì)算的收縮和鋼束引起的跨中位移，得到徐變引起的位移，由式(1)計(jì)算實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)。

由表1可見，模型1、2在前2個(gè)月跨中位移增長較快，在后期就逐漸緩慢增長，在加載的第250 d(徐變完成81.5%)，模型1跨中位移為1.558 mm，模型2跨中位移為-0.874 mm。

圖6為模型1實(shí)測(cè)徐變系數(shù)與各預(yù)測(cè)模型的徐變系數(shù)對(duì)比結(jié)果。

圖6 模型1與各預(yù)測(cè)模型徐變系數(shù)對(duì)比

由圖6可見，JTG 3362-2018規(guī)范的計(jì)算徐變系數(shù)和模型1實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)較吻合，JTJ 023-85規(guī)范和ACI 209規(guī)范計(jì)算值均比實(shí)測(cè)徐變系數(shù)大，在加載的第250 d，實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)為1.47，JTG 3362-2018規(guī)范、JTJ 023-85規(guī)范和ACI 209規(guī)范的徐變系數(shù)分別為1.45，1.90和1.54，比實(shí)測(cè)徐變系數(shù)偏差-0.1%，29%和5%。

由于模型2是靜定結(jié)構(gòu)，在理論計(jì)算中，收縮和鋼束不引起跨中下?lián)?，則實(shí)測(cè)的跨中位移這個(gè)綜合效應(yīng)可以近似地看作是徐變引起的跨中位移。圖7為模型2實(shí)測(cè)徐變系數(shù)與各預(yù)測(cè)模型的徐變系數(shù)的對(duì)比圖。

圖7 模型2與預(yù)測(cè)模型徐變系數(shù)對(duì)比

由圖7可見，3個(gè)預(yù)測(cè)模型的徐變系數(shù)均大于實(shí)測(cè)徐變系數(shù)，在增長前期均較吻合，在后期JTG 3362-2018規(guī)范和ACI 209規(guī)范的計(jì)算徐變系數(shù)和實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)比較接近，JTJ 023-85規(guī)范比實(shí)測(cè)徐變系數(shù)大，在加載的第250 d，實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)為1.24，JTG 3362-2018規(guī)范、JTJ 023-85規(guī)范和ACI 209規(guī)范的徐變系數(shù)分別為1.32，1.49和1.32，比實(shí)測(cè)徐變系數(shù)偏大6.5%，20.1%和6.5%。

5 結(jié)語

通過在實(shí)橋環(huán)境下建立2種不同結(jié)構(gòu)形式的縮尺模型橋，分析實(shí)測(cè)收縮徐變引起的跨中位移，建立有限元模型，將各種收縮徐變預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下。

1) 三跨連續(xù)剛構(gòu)模型中跨跨中位移實(shí)測(cè)值與采用JTG 3362-2018規(guī)范的計(jì)算結(jié)果吻合很好，在加載后第250 d(徐變完成81.5%)，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)收縮徐變系數(shù)相對(duì)偏差僅為0.1%。

2) 簡(jiǎn)支梁模型中跨跨中位移實(shí)測(cè)值與采用JTG 3362-2018規(guī)范的計(jì)算結(jié)果吻合一般，在加載后第250 d(徐變完成81.5%)，模型計(jì)算值比實(shí)測(cè)收縮徐變系數(shù)偏大6.5%。