高架桥高墩变形预估与控制.doc

1高架桥高墩变形预估与控制高架桥高墩变形预估与控制易国良 （中铁隧道集团第一工程处 河南新乡 453000）摘要 高架桥钢筋混凝土墩身在施工过程中及竣工后，由于混凝土自身特性会发生干缩、热胀冷缩，同时在荷载作用下发生弹塑性变形、徐变等，影响桥梁使用功能及结构安全必须对其变形进行正确的预估介绍了高墩变形影响因素，对变形量进行了详细的分析并提出控制措施关键词 高架桥 高墩 变形 预估一般情况下，公路桥梁墩身高度大于 30M 的称为高架桥为了充分发挥混凝土、 钢筋的材料特性，高墩常采用钢筋混凝土薄壁空心柔性墩，以达到节省材料、减轻桥 墩自重，降低对地基的要求 然而作为弹—塑—粘性材料的钢筋砼墩身，在施工过程中及竣工后，会发生两种 变形，一种是荷载作用下的变形，如弹塑性变形、徐变等；另一种是非荷载作用下的 变形，如湿胀干缩、热胀冷缩这种变形引起墩顶高程及轴线发生变化，影响结构使 用及安全因此必须对其变形有一个正确的预估，并针对预估结果采取有效措施进行 控制，确保质量及施工过程中的安全，并满足规范要求达到顺利交验，发挥其使用功 能 1 1 墩顶高程变形预估墩顶高程变形预估 1.1 砼干缩变形： 混凝土在结硬过程中体积会发生变化，表现为湿胀干缩，其主要是由于水泥石中凝胶 水和毛细水变化所引起。

混凝土干缩大小与水泥品种、水泥用量和单位用水量有关， 其极限收缩值因骨料和相对湿度的不同而异我国铁道部科学研究院对混凝土的自由 收缩做过试验，试验结果虽然相当分散，但普通混凝土的收缩率： εg（t）=3.24×10-4∏mi（1－e-0.1t） 式中 t 为时间（d） ；mi为非标准条件的修正系数，可取 1 lg=εg（t）×H 1.2 温度收缩和热膨胀变形： 混凝土具有热胀冷缩的性质，普通混凝土热膨胀系数 αt=1×10-5（1/℃） ，根据温差确 定其变形率： lt=αtΔT·H 式中 ΔT 温差；H 墩高 1.3 恒载作用下的变形： 根据公路桥梁有关设计规范，考虑了以下荷载： ① 恒载（结构自重） a、墩身、盖梁 b、上构 c、桥面系 ② 活载（汽车－超 20 级，挂车－120） ③ 汽车制动力 ④ 温度力 ⑤ 风力2⑥ 地震力 ⑦ 船舶撞击力 对于混凝土墩身的受力变形，包括一次短期加载的变形、荷载长期作用下的变形和多 次重复加载作用下的变形00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0125.010.015.020.025.030.035.0中中中中A中中中中中C中中DB中中中EFεσ中N/mm )2图 1 混凝土受压应力应变曲线 图 1 是天津大学实测的一次短期受压应力应变全曲线，包括上升段部分和下降段 部分。

在施工过程中，一次短期加载为施工荷载，混凝土中应力较小，混凝土的变形 主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形，水泥胶体的粘性流动影响很小多次 重复加载荷载为②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦，为交工验收后运营期所受的疲劳荷载，因 此预估时不作考虑本文仅对恒载长期作用下的变形进行预估 混凝土作为弹—塑—粘性材料，在荷载长期作用下（即压力不变的情况下）应变 随时间继续增长即混凝土的徐变铁道部科学研究院试验结果，混凝土典型徐变曲线 如图 2051015202530 中中中中中中中中中10 中中30.51.01.52.0中中中中中中中中中中crεelaεfc中30N/mm σ中0.5fc2图 2 混凝土在恒载长期作用下应变曲线 高墩墩身混凝土采取自下而上分段逐级浇筑，施工期为 4～5 个月，在控制墩顶标 高时因其自重产生的压缩变形已完成 80％（图 2） ，为简化计算，对墩顶加高预估时不 予考虑只计算恒载中盖梁、上构、桥面系荷载引起的高程变形 由图 2 可以看出，在恒载作用下，其加荷瞬间产生的应变为瞬时应变 εela，随着 加荷时间的增加，应变也将继续增长，这就是混凝土的徐变 εcr当应力较小时3（σ＜0.3fc） ，瞬时应变 εela为弹性变形。

根据虎克定律预测E=cf74.342 . 2105εela==Eσ AEP lela=∫εeladh =∫dhEAP式中：E 混凝土变形模量；fc混凝土强度；P 盖梁、上构、桥面系荷载；A 任一微段截 面积，f（h） 混凝土徐变是依赖于荷载且与时间有关的一种非弹性性质的变形，对于桥梁高墩，徐 变为主要变形之一，在总的变形量中占有较大的比例，一般为弹性变形的 1～3 倍目 前，徐变的计算方法是有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、继效流动理论及 1978 年国际预应力协会（FIP）关于混凝土徐变系数计算《公路钢筋混凝土及预应力混凝土 桥涵设计规范》等，其中最常用的有老化理论和现行设计规范的方法 老化理论（适用于混凝土初期加载或龄期较长时）： 加载龄期为 t 时混凝土徐变曲线函数式为：]1 [)( ,),(t tkte 式中为加载龄期为 t 时混凝土徐变终极值；β 为徐变增长速度系数tk,规范公式（与混凝土龄期和加载龄期有关，对各种受载情况普遍适用）混凝土徐变系数))()(()(4 . 0)(),(tttfffdat]1 [ 8 . 0)(RRtt a式中：τ，t 分别为所要求的徐变系数的混凝土龄期和混凝土加载龄期；为加载)(ta初期不可恢复的变形；为随时间而增长的滞后弹性应变；为流塑系数；)(tdf、分别为随混凝土龄期而增长的滞后塑性应变。

)(f)(tf徐变变形量lcr= lela),(t墩顶高程总变形量 ∑＝lg + lt + lela + lcr 2 2 墩顶轴线偏位变形预估墩顶轴线偏位变形预估 2.1 偏心作用的竖向力、水平力引起的墩顶水平位移 在上构安装过程中，单孔上构重量作用在桥墩一侧的理论支承线以及水平风力引 起的墩顶位移，即纵桥向位移；架设一孔主梁时，先架设一侧两片主梁引起的墩顶位 移，横桥向位移4＋EIdhMM pp＝△GAdhpk 、虚拟状态微段上的内力;E 弹性模量；I、A 分别为截面惯性矩和面积；G 剪切弹MQ性模量；k 剪应力沿截面分布不均匀而引起的改正系数 2.2 日照下向阳面和背阳面温差引起的墩顶水平位移 温差引起水平位移计算一般公式＋rtdhbdhMtat△＝△Q式中：a 混凝土线膨胀系数；△t 向阳面和背阳面温差； rt温度引起的剪应变 在上构安装前，单柱墩身温度变化并不引起剪切变形日照下向阳面和背阳面温 差引起的墩顶水平位移计算公式为bdhMtat△＝△墩顶水平位移总量 ∑=△p＋△t《桥规》规定，墩顶水平位移容许值为 KH3 3 计算实例计算实例 百色至罗村口高速公路为广西壮族自治区第一条山岭重丘区高速公路，双向四车 道全长 55.6 公里，共有桥梁 34 座，10163.2 单幅米，占路线长度的 9.14%，由中铁隧 道集团承建的№6 合同段全长 5.08Km，有大桥 5 座，2002.4 单幅米；中桥 2 座 154 单 幅米；其中高架大桥 4 座，1877.9 单幅米，共有薄壁空心墩 19 个，最大墩高 65.58 米。

墩身截面渐变（图 4） ，墩身混凝土 C30上构为 30m 先简支后连续预应力混凝土 （C50）T 梁、钢筋混凝土（C40）桥面铺装现以坡温一号高架大桥左幅 5＃墩（高 65.58m）为例，对墩顶高程及轴线偏位值进行预估AABB 中中中中dhh100:1100:14012040中 中 中 中6558A--A200120270350B--B331120270350图 4 坡温一号高架桥左幅 5＃墩 3.1 墩顶高程变形预估 3.1.1 砼干缩变形量墩身施工完成距竣工交验约 180 天5εg（180）=3.24×10-4（1－e-18）=3.24×10-4 lg=εg（180）×H=3.24×10-4×65×103=21.1mm 3.1.2 温度收缩和热膨胀变形量墩身完成时间为 2004 年 5 月，取平均气温 30℃；交 验时间为 2004 年 11 月，取平均气温 15℃ lt =αΔT·H=1×10-5×（30－15）×65×103=9.8mm 3.1.3 恒载作用下的变形设计恒载为： 盖梁——1250KN 上构——2800KN 桥面系——1500KN P＝5550KN 瞬时变形量：E===2.978×104MPacf74.342 . 21053074.342 . 2105εela==Eσ AEP lela=∫εeladh =∫dh＝＝15.4mmEAPdhhEP58.650016. 076. 31徐变变形量： 本例满足老化理论适用条件，故采用老化理论，]1 [)( ,),(t tkte 取 2；β 取 3；τ 取 180 天；t 取 28 天。

tk,2]1[)( ,),(t tkte ]1 [ 2)28180(3elcr= lela＝2×15.4＝30.8mm),(t∑＝lg＋lt＋lela＋lcr＝21.1＋9.8＋15.4＋30.8＝77.1mm 3.2 墩顶轴线偏位变形预估 3.2.1 偏心作用的竖向力、水平力引起的墩顶水平位移 在上构安装过程中，单孔上构重量作用在桥墩一侧的理论支承线以及水平风力引 起的墩顶位移，即纵桥向位移Mp＝9620KN·m ＝EIdhMM pzp＝△dhIEMMP58.6501＝=10mmdhhhhEMMP58.650320000064. 00045. 061. 03 .2312 ＋＋＋架设一孔主梁时，先架设一侧两片主梁引起的墩顶位移，横桥向位移 Mp＝24614KN·m＝＝6.9mmEIdsMM php＝△dhhEMMP58.65046. 013.6212 ＋63.2.2 日照下向阳面和背阳面温差引起的墩顶水平位移取＝25℃t△＝6.3mm 502hdhtatz ＋△＝△＝4.7mm5 . 3 dhtath△＝△墩顶水平位移总量∑z=△pz＋△tz＝16.3mm＜K＝5＝40.5mmH58.65∑h=△ph＋△th＝11.6mm＜K＝40.5mmH4 4 结语结语 高架桥墩身变形影响因素很多，一般墩身越高变形量越大。

这种变形将改变桥面 纵坡，影响行车舒适性同时平面轴线偏位直接影响测量及上构安装精度，使结构物 产生附加应力因此在施工中要根据预估结果采取相应措施规避风险 4.1 根据高程变形预估结果在施工中对墩顶高程进行调整即测算出墩顶高程下降值后， 在墩身施工控制墩顶标高时将墩顶加高，以保证交验时桥面标高满足规范要求 4.2 考虑温度变形选择交验测量时的温度，在墩身完工测量墩顶标高时的温度与交验测 量时的温差应基本满足高程预估时考虑的温差 4.3 考虑向阳面和背阳面的影响，选择适当的时间进行测量和上构安装测量和上构安 装时间应尽量选择在天气好，但阳光不强的早、晚 4.4 考虑上构安装影响，安装时采取合理的安装顺序等有效措施规避风险单孔上构安 装时应先中梁，后边梁，左右对称安装单孔上构安装后，墩顶向已安装方向偏移， 为确保在安装下一跨时墩顶能够复位，已安装跨主梁与前一跨主梁不得连续 4.5 考虑水平风力影响选择测量和上构安装应选择无风天气参考文献参考文献 1 车宏亚.钢筋混凝土结构原理.天津大学出版社，1990 2 周以恪、张绍麟.建筑材料.中国铁道出版社，1991 3 惠荣炎、黄国兴、易冰若.混凝土的徐变.中国铁道出版社，1988 4 杨凤莲、王根会.混凝土桥梁施工过程中的徐变变形研究.兰州铁道学院学报，2003（3）。