大跨连续刚构桥收缩徐变模型试验研究

2021-06-28熊志朋黄福伟

交通科技 2021年3期

熊志朋陈瑛黄福伟

(1.江西省交通运输科学研究院有限公司南昌 330200； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆 400067)

连续刚构桥在运营过程中主跨跨中下挠位移一直增大[1]，将直接影响桥梁的使用寿命、行车的平顺舒适，甚至可能危及高速行车的安全。根据以往资料研究和专家探讨，引起跨中下挠的最主要的因素之一是混凝土收缩徐变。正确地分析混凝土收缩徐变的影响，对混凝土的收缩徐变的准确预测并提供准确的收缩徐变值是工程研究人员的重大课题。

国内外学者对大跨径预应力混凝土连续刚构桥的混凝土收缩和徐变开展了大量试验和理论的研究[2-3]，取得了丰硕的成果。但是，由于受到混凝土材料、桥梁结构及受力、桥位环境等影响，研究结论存在较大差异。因此，有必要进一步开展针对不同环境、不同原材料的大跨径预应力混凝土连续刚构桥混凝土收缩和徐变的研究，以更好地指导具体桥梁的设计、施工和管养。

1 工程概述

图1 大桥总体布置图(单位：cm)

2 缩尺模型试验设计

结构模型试验[4]是以相似理论为依据，使模型与真型的全部或者部分特征相似，然后通过模型的试验结果反算出真型结构对应的结果。

苏联基尔皮契夫院士与古赫曼院士在1930年提出了相似第三定律，即物体几何相似、相似判据相等，以及边界条件、运动初始条件相似都需得到满足。

2.1 模型尺寸与制作

2.1.1模型尺寸设计

由于试验场地的限制等，遵循模型试验的相似理论(即模型和实桥几何尺寸相似，模型和实桥对应的跨中截面刚度相似)，选用几何缩尺比1∶40制作2个试验模型。

模型1：三跨连续刚构模型。

模型2：简支梁模型。

通过计算和分析，综合考虑选用等截面实心矩形梁，并确定截面尺寸为300 mm×300 mm，并在截面中心张拉预应力，使试验梁成为轴心受压预应力构件。

模型的结构尺寸图见图2。

因实际地质条件与设计相差较大，坝体中碎石夹层较厚，且原坝体曾进行过黏土灌浆，破坏了坝体土的结构，致使本项目施工中普遍存在槽口坍塌现象。对此，采取了设钢管密集桩、加深导向槽、改善泥浆固壁效果（加膨润土）等施工方法。对坍塌严重的4个槽孔，为保证施工机械、人员及大坝坝体的安全，进行了黏土回填重新造孔。

图2 模型结构尺寸(单位：cm)

2.1.2缩尺模型施工工序

模型1。加载按照实际桥梁的类似的施工步骤进行，先基础施工，然后桥墩和零号块施工、节段施工，最后完成边跨合龙与中跨合龙，模型桥成桥后对钢束进行一次张拉。采用满布支架的现浇法，分4次浇筑混凝土，每次施工间隔7 d。试验梁全桥施工完成，并养护7 d后拆模，在拆模后的第14 d开始对实验梁穿预应力束，并安装钢弦式荷载传感器以便测量预应力损失值，张拉预应力后的第2 d对预应力管道灌浆。

模型2。制作过程由基础施工、桥墩施工和简支梁现浇等部分组成。采用满布支架的现浇法，分3次浇筑混凝土，每次施工间隔7 d。张拉与灌浆同模型1。

2.2 缩尺模型试验荷载

2.2.1试验加载

根据等效原则，对模型关键截面的内力进行等效计算。即在跨中施加了2个间距1 m的集中荷载来反算缩尺模型试验值。经过计算得出，模型1施加荷载为23.0 kN，模型2施加荷载为7.4 kN。缩尺模型现场加载图见图3。

图3 模型加载

2.2.2测点布置

对模型1在中跨跨中、桥墩的支点的上缘和下缘布置应变测点，在桥墩、边跨1/2、中跨1/4和1/2处布置挠度测点，测点布置图见图4。

图4 模型1测点布置图

对模型2在跨中的上缘和下缘布置应变测点，在桥墩处，1/4处、1/2处布置挠度测点，测点布置图见图5。

图5 模型2测点布置图

3 徐变系数

混凝土的徐变是构件施加荷载保持恒定的情况下，徐变变形随时间增加的表征，通常徐变是由徐变系数[5]来表示的，徐变变形在工程中多用应变、位移来表征。

即徐变系数

(1)

式中：φ(t,τ)为在时间τ施加不变荷载作用至时间t的徐变系数；fτ为初始弹性位移(应变)；ft为加载到t时的徐变位移(应变)；f为总位移(应变)，即每次的实测位移(应变)值。

4 缩尺模型试验结果与分析

4.1 试验结果

限于篇幅，未列出全部试验数据，现场环境平均相对湿度为71%，温度为23 ℃，缩尺模型理论厚度为150 mm，体表比V/S=75 mm。各缩尺模型部分实测跨中位移值(扣除刚体位移的变形，不考虑尺寸效应)见表1。

表1 各缩尺模型实测跨中位移

4.2 试验结果分析

由于实测的跨中位移是综合效应一起引起的位移，由徐变系数的定义可知，排除收缩和钢束等影响，分离出徐变引起的跨中位移，然而在实际工程试验中很难分离计算，故近似采用实测位移减去JTG 3362-2018规范[6]预测模型计算的收缩和钢束引起的跨中位移，得到徐变引起的位移，由式(1)计算实测的徐变系数。

由表1可见，模型1、2在前2个月跨中位移增长较快，在后期就逐渐缓慢增长，在加载的第250 d(徐变完成81.5%)，模型1跨中位移为1.558 mm，模型2跨中位移为-0.874 mm。

图6为模型1实测徐变系数与各预测模型的徐变系数对比结果。

图6 模型1与各预测模型徐变系数对比

由图6可见，JTG 3362-2018规范的计算徐变系数和模型1实测的徐变系数较吻合，JTJ 023-85规范和ACI 209规范计算值均比实测徐变系数大，在加载的第250 d，实测的徐变系数为1.47，JTG 3362-2018规范、JTJ 023-85规范和ACI 209规范的徐变系数分别为1.45，1.90和1.54，比实测徐变系数偏差-0.1%，29%和5%。

由于模型2是静定结构，在理论计算中，收缩和钢束不引起跨中下挠，则实测的跨中位移这个综合效应可以近似地看作是徐变引起的跨中位移。图7为模型2实测徐变系数与各预测模型的徐变系数的对比图。

图7 模型2与预测模型徐变系数对比

由图7可见，3个预测模型的徐变系数均大于实测徐变系数，在增长前期均较吻合，在后期JTG 3362-2018规范和ACI 209规范的计算徐变系数和实测的徐变系数比较接近，JTJ 023-85规范比实测徐变系数大，在加载的第250 d，实测的徐变系数为1.24，JTG 3362-2018规范、JTJ 023-85规范和ACI 209规范的徐变系数分别为1.32，1.49和1.32，比实测徐变系数偏大6.5%，20.1%和6.5%。