混凝土斜拉桥的长期性能研究

摘要

大跨混凝土结构由于收缩徐变等作用引起的结构反应的合理确定，是桥梁工程界迫切需要解决但又尚未完全解决的一个极为复杂的问题。以广东省惠州市的科研项目“混凝土斜拉桥模型试验研究”为依托，通过对实桥在建设与营运过程中的观测和对模型桥的一系列测试、分析，对斜拉桥的收缩徐变问题进行研究，以期获得大跨径混凝土斜拉桥在收缩徐变作用下的实际反应。主要进行了以下研究：
　　 (1)设计并制作了模型桥
　　 对模型试验的相关理论进行了介绍，包括模型桥的设计准则和要求、模型桥的制作、测试内容等。模型桥以广东省惠州市合生大桥为工程背景，现场按1:15的比例制作了预应力混凝土斜拉桥模型，其主梁和索塔均采用混凝土材料，拉索采用同材质的高强钢丝。测试了不同龄期混凝土的弹性模量数据，以供结构有限元分析确定材料弹性模量时参考。
　　 (2)进行了混凝土斜拉桥模型收缩徐变试验研究
　　 现场同步制作了与混凝土斜拉桥模型同材质的混凝土试件，同条件养护，进行了混凝土模型斜拉桥和棱柱体的长期性能试验。基于对棱柱体试验数据的整理、分析，提出了自然环境下实桥和模型桥所使用混凝土材料的徐变模型。
　　 斜拉桥模型的试验观测结果表明：与时间相关的预应力损失主梁为3.6％，上、下游塔柱分别为3.0％、2.0％。边跨支座反力基本不变，主跨支座和辅助墩支座反力随时间呈增加的趋势。徐变应变在55～85με之间，主梁位移最大3.0mm，桥塔收缩徐变引起的主梁位移占总位移的30％～60％。主跨的两对尾索索力变化最大，下降约6.5％。
　　 由于实测混凝土棱柱体试件的徐变曲线不含体表比参数，参照JTGD62、GL2000模型所采用的构件体表比修正方法，对所提混凝土材料的徐变模型进行相应的修正，得到了可应用于混凝土结构长期性能分析的徐变模型，分别记为TEST-JTG和TEST-GL模型。分别采用JTGD62、ACI209R、GL2000以及所提出的TEST-JTG和TEST-GL等模型对混凝土斜拉桥模型的长期性能进行了分析，并与应变、位移、索力变化的实测数据进行了比较，验证了TEST-GL模型的适用性。此外，JTGD62、ACI209R、GL2000等3种模型中，GL2000模型的计算结果最接近实测结果。
　　 (3)对实桥进行了施工监测与长期性能预测
　　 跟踪研究了实桥施工监控的全过程，营运过程中对全桥标高和索力进行了多次测试。将理论计算与实测结果进行比较分析，评价了JTGD62、ACI209R和TEST-GL三种收缩徐变模型用于该桥计算结果的准确性，其中，TEST-GL模型的计算结果与实测数据吻合较好。成桥2年以后，实测主跨最大位移约23mm，预测5年后该主跨最大位移值为37mm，10年后为52mm；预测10年后索塔顺桥向位移值为14.8mm，偏向主跨侧，横桥向位移1.41mm，偏向内侧；可见收缩徐变效应引起的索塔横桥向位移很小。成桥2年以后，实测索力最大变化为3.8％，预测10年后最大索力变化为6.0％，20年后为7.7％。
　　 (4)提出了考虑收缩徐变效应的混凝土斜拉桥初始平衡构形的确定方法
　　 为了对混凝土斜拉桥的长期性能进行有效预测，建立了考虑收缩徐变效应的斜拉桥初始平衡构形。在斜拉桥索力模拟常规迭代法的基础上，从迭代初值的选取和迭代加速的超松弛法两方面实现了迭代计算的加速，提高了计算效率；提出了成桥线形修正的建模坐标迭代法，与迭代加速法一起，共同应用于斜拉桥的初始平衡构形的建立；通过收集混凝土斜拉桥的施工记录，在有限元模型中考虑收缩徐变效应的影响。采用该方法建立的初始平衡构形，能快速、准确的模拟斜拉桥的索力分布和成桥线形，可用于混凝土斜拉桥的长期性能预测、极限承载力计算等后续分析。