当代客运简支箱梁徐变透析

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本文作者：郑辉辉卢文良工作单位：北京交通大学土木建筑工程学院

客运专线32m箱梁徐变理论计算

箱梁简介客运专线预制900t简支箱梁(通桥(2008)2322A-Ⅱ)采用单箱单室的截面形式，梁长32.6m，高3.05m，顶板宽12m，底板宽5.5m，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚，单片箱梁重约9000kN。梁体混凝土强度等级为C50，采用后张法施工工艺，梁体沿纵向设置27束预应力筋，其中N1a、N1b、N2a、N2b、N2c、N2d、N3～N10在靠近梁端附近不同截面弯起，箱梁截面见图1。图2.2不同计算模型徐变理论计算结果徐变度是指单位应力下混凝土产生的不同加载龄期的徐变，是混凝土徐变应变计算的主要方式之一。分别采用上述3种模型计算了客运专线32m简支箱梁的徐变度，计算模型中仅考虑箱梁自重及预应力荷载，预应力筋终张拉完成为计算起始龄期，计算徐变度发展曲线见图2。3种计算模型徐变度有类似的发展趋势，但B3模型的徐变度值大于GL2000模型和CEB-FIP(1990)模型。B3模型考虑的主要因素有:相对湿度、混凝土构件尺寸、混凝土28d强度，水泥含量、水泥与沙石含量比、混凝土干燥龄期及加载龄期等。国内铁路箱梁混凝土多为高强度混凝土，水灰比较小，粉煤灰与矿粉的添加，进一步降低了水泥的使用量，增加了混凝土徐变计算的不确定性。Bzant等人在实验研究B3模型计算参数时并未考虑粉煤灰及矿粉的影响［8］，简单的以水胶比替代水灰比会产生一定的误差，并且铁路箱梁的混凝土水胶比多数超出了Bzant［9］实验拟合的B3模型参数限定的适用范围，是造成计算结果偏大的主要原因。加载初期GL2000模型计算徐变度曲线斜率大，徐变发展迅速，徐变度增长较快。CEB-FIP(1990)模型计算徐变度曲线在加载初期斜率较小，徐变度发展较GL2000模型缓慢。GL2000模型与CEB-FIP(1990)模型计算徐变度曲线在加载龄期230d时相交。在加载龄期超过230d后CEB-FIP(1990)模型计算徐变度增长比GL2000模型快，但二者斜率均较小，徐变度曲线较为平缓。

箱梁徐变现场监测

现场监测简介在箱梁1/8跨截面、1/4截面和跨中截面埋设应变传感器测量混凝土的应变值，每个测试断面布置4个钢弦式应变计，顶板应变测点位于上层钢筋下方，分别距两侧腹板钢筋内侧10cm;底板应变测点位于底板上层钢筋下方，分别距两侧腹板钢筋内侧10cm。终张拉完成后梁体在自重和预应力作用下上拱，简支受力。现场选取终张拉完成的梁体进行了应变监测，观测了箱梁相应截面终张拉完成后16个月内的应变发展。监测过程中梁体仅承受自重和预应力荷载，徐变增长受外荷载影响较小。实测徐变应变终张拉完成后箱梁应变监测值包括徐变应变、自身体积应变、温度梯度应变和收缩应变。对低热微膨胀混凝土的自身体积应变进行长期观测表明，混凝土浇筑完成的自身体积应变主要发生在浇筑完成1周内，从龄期7～720d其自身体积应变增长很小［10］，本文忽略其对应变的影响。温度梯度应力所产生的混凝土应变较为复杂，把测试时间选在大气场、温度场恒定时期的每日凌晨可忽略温度梯度对应变的影响［11］。混凝土的收缩应变可通过CEB-FIP(1990)模型中收缩应变计算方法分析考虑，从而混凝土的徐变应变为监测应变与收缩应变之差。终张拉完成后16个月徐变应变发展曲线见图3～图4。图3实测梁体顶板不同位置徐变应变图4实测梁体底板不同位置徐变应变由图3和图4知，终张拉完成后监测截面均受压，应变为压应变。由于梁体不同截面应力大小不同，顶板底板不同截面徐变值有一定差异，顶板跨中徐变值最小，1/8跨截面徐变值最大，底板跨中截面徐变值最大，1/8跨截面徐变值最小。顶板1/4跨、1/8跨截面徐变应变在监测龄期60d附近有一定波动，但徐变绝对值小，对徐变的长期监测影响较小。随着龄期的增长，顶板底板徐变应变有类似的增长规律，终张拉完成后初期徐变发展较快，徐变发展曲线斜率大，终张拉完成后60d内徐变发展完成了16个月总徐变的58.3%～62.8%。随着龄期的增加徐变增长速率逐渐放缓，徐变发展曲线斜率明显减小，监测龄期60～150d徐变增长了16个月总徐变的9.8%～21%。终张拉完成150d后徐变增长速度趋于平缓但徐变仍不断增长，监测后期11个月徐变值仅为16个月总徐变值的19.3%～22.7%。持续荷载作用下徐变增长使混凝土的应力与应变比随时间不断降低，梁体的“有效刚度”也随之降低，梁体将出现时变上拱。

理论计算与实测应变对比分析

根据自重和预应力荷载作用下箱梁不同截面位置应力水平，运用CEB-FIP(1990)模型和GL2000模型计算了箱梁不同位置徐变应变。通过徐变理论计算与试验监测的对比可以对理论计算进行验证，并指导试验监测，徐变应变不同位置试验值与理论计算值对比见图5～图10。从图5～图10可知，徐变应变理论计算值在张拉完初期均大于现场监测值，但CEB-FIP(1990)模型和GL2000模型均能较好地预测出混凝土的徐变发展趋势。终张拉完成后前期混凝土徐变增长较快，CEB-FIP(1990)模型预测徐变值更符合实测徐变发展，监测前期5个月CEB-FIP(1990)模型计算顶板徐变平均误差为6%，底板平均误差为7%。GL2000模型计算顶板徐变平均误差为17%，底板徐变平均误差为15.5%。GL2000模型计算的后期徐变增长缓慢，理论计算相对误差较小，从5个月到16个月监测期GL2000模型计算顶板徐变平均误差为3%，底板徐变平均误差为1.6%。CEB-FIP(1990)模型计算顶板徐变平均误差为7%，底板徐变平均误差为5%。通过对比可知终张拉完成后前期徐变增长较快，混凝土对影响徐变的因素较为敏感，监测徐变数据波动大，理论计算徐变平均误差较大，终张拉完成5个月后徐变增长缓慢，数据波动小，理论计算徐变平均误差小。顶板与底板的理论徐变应变与实测徐变应变有一定差值，其原因是多方面的。理论计算中湿度等参数均采用近似值，不能完全反应实际情况，会造成理论计算误差。梁体体积、截面、表面积均很大，温度梯度应变对实测徐变应变有一定影响，此外混凝土自身体积变形也会影响徐变应变实测值。通过对不同工程自身体积应变进行长期监测可知混凝土自身体积应变可能是压应变也可能是拉应变［12］，其初期发展较快，后期变化缓慢，是梁体应变监测中初期数据波动较大的主要原因。

结论与建议

(1)现场监测表明，梁体终张拉完成后60d内徐变发展曲线斜率大，徐变增长迅速，60d后徐变增长速率明显放缓，但仍较大，150d后徐变增长速率趋于平稳，徐变持续缓慢增长。终张拉完成后2个月徐变值达16个月总徐变值的60%左右。在徐变控制中应该加强初期养护条件，防止梁体早期徐变增长过快，同时应考虑梁体长期徐变增长。(2)荷载作用初期GL2000模型和CEB-FIP(1990)模型徐变预测值均比实际监测结果大，但两种模型对长期徐变发展趋势预测与实际情况相符，对长期徐变应变的预估有一定参考价值。(3)针对预应力混凝土箱梁长期徐变预测，在不同龄期分别采用不同的计算模型可以提高预测结果的精确性。客运专线预应力简支箱梁在加载初期CEB-FIP(1990)模型的徐变发展更符合实际情况，加载龄期大于某龄期时GL2000模型的预测值相对误差较小。(4)B3模型在国外混凝土徐变研究中得到广泛应用，但是由于国内外材料的差异性及混凝土配合比的差别，在高速铁路箱梁的徐变研究中有较大的误差，需做进一步研究。(5)由于混凝土自身体积变形及温差应变的影响，预应力加载初期混凝土应变监测值波动幅度较大，在徐变应变的研究中应加强对无应力应变的研究和监测。