高架橋高墩變形預(yù)估與控制

1、高架橋高墩變形預(yù)估與控制易國良（中鐵隧道集團(tuán)第一工程處 河南新鄉(xiāng) 453000）摘要 高架橋鋼筋混凝土墩身在施工過程中及竣工后，由于混凝土自身特性會(huì)發(fā)生干縮、熱脹冷縮，同時(shí)在荷載作用下發(fā)生彈塑性變形、徐變等，影響橋梁使用功能及結(jié)構(gòu)安全。必須對(duì)其變形進(jìn)行正確的預(yù)估。介紹了高墩變形影響因素，對(duì)變形量進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出控制措施。關(guān)鍵詞 高架橋 高墩 變形 預(yù)估一般情況下，公路橋梁墩身高度大于30M的稱為高架橋。為了充分發(fā)揮混凝土、鋼筋的材料特性，高墩常采用鋼筋混凝土薄壁空心柔性墩，以達(dá)到節(jié)省材料、減輕橋墩自重，降低對(duì)地基的要求。然而作為彈塑粘性材料的鋼筋砼墩身，在施工過程中及竣工后，會(huì)發(fā)生兩種變

2、形，一種是荷載作用下的變形，如彈塑性變形、徐變等；另一種是非荷載作用下的變形，如濕脹干縮、熱脹冷縮。這種變形引起墩頂高程及軸線發(fā)生變化，影響結(jié)構(gòu)使用及安全。因此必須對(duì)其變形有一個(gè)正確的預(yù)估，并針對(duì)預(yù)估結(jié)果采取有效措施進(jìn)行控制，確保質(zhì)量及施工過程中的安全，并滿足規(guī)范要求達(dá)到順利交驗(yàn)，發(fā)揮其使用功能。1墩頂高程變形預(yù)估1.1砼干縮變形：混凝土在結(jié)硬過程中體積會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為濕脹干縮，其主要是由于水泥石中凝膠水和毛細(xì)水變化所引起?；炷粮煽s大小與水泥品種、水泥用量和單位用水量有關(guān)，其極限收縮值因骨料和相對(duì)濕度的不同而異。我國鐵道部科學(xué)研究院對(duì)混凝土的自由收縮做過試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果雖然相當(dāng)分散，但普通混

3、凝土的收縮率：g（t）=3.24×10-4mi（1e-0.1t）式中t為時(shí)間（d）；mi為非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，可取1lg=g（t）×H1.2溫度收縮和熱膨脹變形：混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，普通混凝土熱膨脹系數(shù)t=1×10-5（1/），根據(jù)溫差確定其變形率： lt=tT·H式中T溫差；H墩高1.3恒載作用下的變形：根據(jù)公路橋梁有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮了以下荷載： 恒載（結(jié)構(gòu)自重）a、 墩身、蓋梁b、 上構(gòu)c、 橋面系 活載（汽車超20級(jí)，掛車120） 汽車制動(dòng)力 溫度力 風(fēng)力 地震力 船舶撞擊力對(duì)于混凝土墩身的受力變形，包括一次短期加載的變形、荷載長期作用下的

4、變形和多次重復(fù)加載作用下的變形。圖1 混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線圖1是天津大學(xué)實(shí)測的一次短期受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，包括上升段部分和下降段部分。在施工過程中，一次短期加載為施工荷載，混凝土中應(yīng)力較小，混凝土的變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體受力產(chǎn)生的彈性變形，水泥膠體的粘性流動(dòng)影響很小。多次重復(fù)加載荷載為，為交工驗(yàn)收后運(yùn)營期所受的疲勞荷載，因此預(yù)估時(shí)不作考慮。本文僅對(duì)恒載長期作用下的變形進(jìn)行預(yù)估?；炷磷鳛閺椝苷承圆牧?，在荷載長期作用下（即壓力不變的情況下）應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長即混凝土的徐變。鐵道部科學(xué)研究院試驗(yàn)結(jié)果，混凝土典型徐變曲線如圖2。圖2 混凝土在恒載長期作用下應(yīng)變曲線高墩墩身混凝土采取自下而上分段

5、逐級(jí)澆筑，施工期為45個(gè)月，在控制墩頂標(biāo)高時(shí)因其自重產(chǎn)生的壓縮變形已完成80（圖2），為簡化計(jì)算，對(duì)墩頂加高預(yù)估時(shí)不予考慮。只計(jì)算恒載中蓋梁、上構(gòu)、橋面系荷載引起的高程變形。由圖2可以看出，在恒載作用下，其加荷瞬間產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)樗矔r(shí)應(yīng)變ela，隨著加荷時(shí)間的增加，應(yīng)變也將繼續(xù)增長，這就是混凝土的徐變cr。當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)（0.3fc），瞬時(shí)應(yīng)變ela為彈性變形。根據(jù)虎克定律預(yù)測。E=ela=lela=eladh =dh式中：E混凝土變形模量；fc混凝土強(qiáng)度；P蓋梁、上構(gòu)、橋面系荷載；A任一微段截面積，f（h）混凝土徐變是依賴于荷載且與時(shí)間有關(guān)的一種非彈性性質(zhì)的變形，對(duì)于橋梁高墩，徐變?yōu)橹饕冃沃唬?/p>

6、在總的變形量中占有較大的比例，一般為彈性變形的13倍。目前，徐變的計(jì)算方法是有效模量法、老化理論、彈性徐變理論、繼效流動(dòng)理論及1978年國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)（FIP）關(guān)于混凝土徐變系數(shù)計(jì)算公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范等，其中最常用的有老化理論和現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的方法。老化理論（適用于混凝土初期加載或齡期較長時(shí)）：加載齡期為t時(shí)混凝土徐變曲線函數(shù)式為：式中為加載齡期為t時(shí)混凝土徐變終極值；為徐變?cè)鲩L速度系數(shù)。規(guī)范公式（與混凝土齡期和加載齡期有關(guān)，對(duì)各種受載情況普遍適用）混凝土徐變系數(shù)式中：，t分別為所要求的徐變系數(shù)的混凝土齡期和混凝土加載齡期；為加載初期不可恢復(fù)的變形；為隨時(shí)間而增長的滯后彈性

7、應(yīng)變；為流塑系數(shù)；、分別為隨混凝土齡期而增長的滯后塑性應(yīng)變。徐變變形量lcr= lela墩頂高程總變形量lg + lt + lela + lcr 2墩頂軸線偏位變形預(yù)估2.1偏心作用的豎向力、水平力引起的墩頂水平位移。在上構(gòu)安裝過程中，單孔上構(gòu)重量作用在橋墩一側(cè)的理論支承線以及水平風(fēng)力引起的墩頂位移，即縱橋向位移；架設(shè)一孔主梁時(shí)，先架設(shè)一側(cè)兩片主梁引起的墩頂位移，橫橋向位移。、虛擬狀態(tài)微段上的內(nèi)力;E彈性模量；I、A分別為截面慣性矩和面積；G剪切彈性模量；k剪應(yīng)力沿截面分布不均勻而引起的改正系數(shù)。2.2日照下向陽面和背陽面溫差引起的墩頂水平位移。溫差引起水平位移計(jì)算一般公式rtdh式中：a混凝

8、土線膨脹系數(shù)；t向陽面和背陽面溫差； rt溫度引起的剪應(yīng)變。在上構(gòu)安裝前，單柱墩身溫度變化并不引起剪切變形。日照下向陽面和背陽面溫差引起的墩頂水平位移計(jì)算公式為墩頂水平位移總量=pt橋規(guī)規(guī)定，墩頂水平位移容許值為K。3計(jì)算實(shí)例百色至羅村口高速公路為廣西壯族自治區(qū)第一條山嶺重丘區(qū)高速公路，雙向四車道全長55.6公里，共有橋梁34座，10163.2單幅米，占路線長度的9.14%，由中鐵隧道集團(tuán)承建的6合同段全長5.08Km，有大橋5座，2002.4單幅米；中橋2座154單幅米；其中高架大橋4座，1877.9單幅米，共有薄壁空心墩19個(gè)，最大墩高65.58米。墩身截面漸變（圖4），墩身混凝土C30。

9、上構(gòu)為30m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土（C50）T梁、鋼筋混凝土（C40）橋面鋪裝?，F(xiàn)以坡溫一號(hào)高架大橋左幅5墩（高65.58m）為例，對(duì)墩頂高程及軸線偏位值進(jìn)行預(yù)估。圖4 坡溫一號(hào)高架橋左幅5墩3.1墩頂高程變形預(yù)估3.1.1砼干縮變形量。墩身施工完成距竣工交驗(yàn)約180天。g（180）=3.24×10-4（1e-18） =3.24×10-4lg=g（180）×H=3.24×10-4×65×103=21.1mm3.1.2溫度收縮和熱膨脹變形量。墩身完成時(shí)間為2004年5月，取平均氣溫30；交驗(yàn)時(shí)間為2004年11月，取平均氣溫15。lt

10、 =T·H=1×10-5×（3015）×65×103=9.8mm3.1.3恒載作用下的變形。設(shè)計(jì)恒載為：蓋梁1250KN上構(gòu)2800KN橋面系1500KNP5550KN瞬時(shí)變形量：E=2.978×104MPaela=lela=eladh =dh15.4mm徐變變形量：本例滿足老化理論適用條件，故采用老化理論，取2；取3；取180天；t取28天。2lcr= lela2×15.430.8mmlgltlelalcr21.19.815.430.877.1mm3.2墩頂軸線偏位變形預(yù)估3.2.1偏心作用的豎向力、水平力引起的墩頂水平位

11、移。在上構(gòu)安裝過程中，單孔上構(gòu)重量作用在橋墩一側(cè)的理論支承線以及水平風(fēng)力引起的墩頂位移，即縱橋向位移。Mp9620KN·m =10mm架設(shè)一孔主梁時(shí)，先架設(shè)一側(cè)兩片主梁引起的墩頂位移，橫橋向位移。Mp24614KN·m6.9mm3.2.2日照下向陽面和背陽面溫差引起的墩頂水平位移。取256.3mm4.7mm墩頂水平位移總量z=pztz16.3mmK540.5mmh=phth11.6mmK40.5mm4 結(jié)語高架橋墩身變形影響因素很多，一般墩身越高變形量越大。這種變形將改變橋面縱坡，影響行車舒適性。同時(shí)平面軸線偏位直接影響測量及上構(gòu)安裝精度，使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生附加應(yīng)力。因此在施工中

12、要根據(jù)預(yù)估結(jié)果采取相應(yīng)措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。4.1根據(jù)高程變形預(yù)估結(jié)果在施工中對(duì)墩頂高程進(jìn)行調(diào)整。即測算出墩頂高程下降值后，在墩身施工控制墩頂標(biāo)高時(shí)將墩頂加高，以保證交驗(yàn)時(shí)橋面標(biāo)高滿足規(guī)范要求。4.2考慮溫度變形選擇交驗(yàn)測量時(shí)的溫度，在墩身完工測量墩頂標(biāo)高時(shí)的溫度與交驗(yàn)測量時(shí)的溫差應(yīng)基本滿足高程預(yù)估時(shí)考慮的溫差。4.3考慮向陽面和背陽面的影響，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行測量和上構(gòu)安裝。測量和上構(gòu)安裝時(shí)間應(yīng)盡量選擇在天氣好，但陽光不強(qiáng)的早、晚。4.4考慮上構(gòu)安裝影響，安裝時(shí)采取合理的安裝順序等有效措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。單孔上構(gòu)安裝時(shí)應(yīng)先中梁，后邊梁，左右對(duì)稱安裝。單孔上構(gòu)安裝后，墩頂向已安裝方向偏移，為確保在安裝下一跨