徐变

2009年8月于营口－－－混凝土徐变特性前言由于混凝土徐变特性的存在，对于预应力结构来说，无论是静定结构还是超静定结构，由于在施工的过程中，均具有阶段施工（或称顺序施工）的特点，所以，随着结构边界条件的改变、各种荷载在不同时段的加入，结构自身也会在不同的阶段表现出不同的变形和应力状态。而高速铁路对于线路长期、稳定的高平顺要求，使得我们对于结构工程不得不将关注的重点放在结构的（动态的或静态的）变形过程方面（这也是将路基作为一个结构物来进行设计和施工的原因所在）。这个讲座的目的，就是想在诸位都经历了一段高速铁路施工后，再深入的谈这个问题。其一是更容易理解工程结构的力学特性，其次是便于诸位在下一步的沉降观测与评估、二期恒载施工中应控制哪些关键，提供一个较为正确的理论基础和清晰的思路。另外，诸位均经过专业学习，所以基本理论这里不讲。管内各种桥梁的徐变分析、对比简支箱梁（Lp=31.5m）一、按“通桥（2008）2322A－Ⅱ”所预设计的情况分析1、阶段施工的内容：箱梁制造（制梁台位上浇筑混凝土终张拉封锚）25天→徐变（存梁台位静置或架设后桥位静置）60d→二期恒载完成5d→徐变完成1000d。这是目前各设计单位在高速铁路桥梁设计中，对于各种静定、超静定结构最为典型的阶段施工最基本的设计思路。由于设计时不可能了解具体的承包商的桥梁施工水平，也只能按照业内平均水平来进行考量。图1箱梁边界条件的简化处理按上述阶段施工进行分析，可以计算出各阶段的跨中挠度变化情况：注：60天时间已发生徐变上拱：23.5－19.6＝3.9mm根据《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设函[2005]754号）及《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号）关于徐变上拱值的定义和限定，这时的残余徐变为：23.3－18.3＝5.0mm。二、按“箱梁制造＋180天徐变＋二期恒载＋徐变完成”分析阶段施工：箱梁终张、封锚25天→徐变180天→二恒120完成5天→徐变完成1000天注：180天时间已发生徐变上拱：27.1－19.6＝7.5mm残余徐变上拱：24.6－22.0＝2.6mm三、按管内最长徐变来计算（08年7月至09年9月）阶段施工：终张、封锚25天→徐变420天（14个月）→二恒120完成5天→徐变完成1000天注：已完成徐变上拱：30.4－19.6＝10.8mm注：残余徐变上拱：25.9－25.5＝0.4mm大家可能已经注意到，箱梁制造（预、初张→移、存梁→终张、封锚）过程本身就是一个阶段顺序施工的过程，而且边界条件也在变化。下面就简单介绍一下箱梁制造过程的变形特性：上图即为力学模型的简化过程，箱梁初张前为连续弹性支撑体系，初张移梁后就转化为简支梁状态，对于移梁、存梁及架设后的支点不同问题，经分析当跨度在29.6－31.5间变化时，对徐变发展的影响甚小，可以忽略不计。故可以按31.5跨度考虑。注：残余徐变上拱：22.3－17.1＝5.2mm。四、各阶段内力及应力情况以上研究了各种条件下的箱梁变形情况，下面介绍一下各阶段的内力及应力情况，以便于更好的理解徐变的特性。限于篇幅关系，由于32m箱梁为简支结构，各阶段的徐变仅影响到结构的变形，并不产生次内力，所以无论二期恒载上桥前后的徐变时间有多少，并不会对结构内力产生影响。下面仅以“预张拉→初张拉→终张拉→徐变60天→二期恒载（120kN/m）”这一阶段施工模式的应力状况作一个介绍。1、预张拉时，制梁台位上箱梁的弯矩、应力分布2、初张拉后，存梁台位上箱梁的弯矩、应力分布3、终张拉后，箱梁弯矩、应力分布4、二期恒载（120kN/m）完成后，弯矩、应力分布5、动活载组合工况下，弯矩包络、应力分布为什么在高速铁路中对于桥梁结构进行二期恒载上桥的时间规定了一个很宽的范围（60天至180天）？这主要是基于这些因素：1、徐变的影响。以前已经讲过，徐变一般在终张后6个月内大约会完成终极值的70%左右；2、基础形式及地质情况的影响。岩石地基与非岩石地基、柱桩与摩擦桩的沉降特性各不相同，而且设计和施工的质量占了很大部分。所以一般来说，计算的沉降量只能作为一个参考；3、铁路的基础系统本来就主要由路、桥、隧所构成，仅就路基来说，由于土这种多相体的本构关系所具有的不确定性，因此路基工程施工完成后需要6至18个月的沉降观测期是必要的。综合以上原因，对于那些沉降量极小甚至零沉降的桥梁60天后上二期恒载的机会非常小。从这个意义上来说，桥梁设计的徐变时间应采用180～300天左右更为符合现阶段的工程施工实际情况，也更有指导意义。五、简支箱梁的徐变特性1、预应力加载（终张）时间相对于混凝土的龄期，预应力加载越早则徐变和残余徐变就越大。时间：d18.00100200300400500600700800900100011001200130019.020.021.022.023.024.025.026.027.028.029.030.0挠度：mm终张15d＋徐变180d＋二恒（120）5d＋徐变1000d终张20d＋徐变180d＋二恒（120）5d＋徐变1000d终张25d＋徐变180d＋二恒（120）5d＋徐变1000d终张30d＋徐变180d＋二恒（120）5d＋徐变1000d说明：15.016.017.015天终张的残余徐变：27.9－24.4＝3.5mm；20天终张的残余徐变：26.3－23.2＝3.1mm25天终张的残余徐变：25.1－22.5＝2.6mm；30天终张的残余徐变：24.3－21.9＝2.4mm2、相同终张时间、不同二期恒载完成时间的徐变二期恒载加载越晚，徐变绝对值越大；残余徐变越小：徐变60天后，上二期恒载的残余徐变：23.8－18.7＝5.1mm；徐变180天后，上二期恒载的残余徐变：25.1－22.5＝2.6mm；徐变420天后，上二期恒载的残余徐变：25.3－24.8＝0.5mm；终张后不加任何后续恒载，则徐变完成时的挠度为：34.2mm。3600200400600800100012001400160048322824201612t(d)f(mm)说明：　1、计算条件为：预张拉2d→初张拉2d→终张拉21d→徐变60～　　420d→二期恒载120kN/m→徐变完成（3年）；　2、与不加二期恒载的情况进行对比。不加二期恒载420天加二期恒载180天加二期恒载60天加二期恒载梁场徐变观测梁预应力加载记录产生梁场箱梁编号预张用时初张用时终张用时浇筑混凝土～终张日期终张～约60天徐变增量(mm)计算值天天天mm梁场WLD－32Q－010－41908-07-01～08-07-203.3(67d,20.3-17.0)－WLD－32Q－035－43108-08-10～08-09-105.0(64d,22.3-17.3)－WLD－32Z－063－41708-09-01～08-09-183.7(66d,20.0-16.3)－WLD－32Z－094－71408-09-17～08-10-013.5(65d,20.5-17.0)－WLD－32Q－122262408-10-08～08-11-013.3(64d,19.8-16.5)－WLD－32Q－1524102508-10-29～08-11-233.3(64d,20.3-17.0)－WLD－32Z－189361408-12-05～08-12-193.0(65d,20.3-17.3)－WLD－32Z－215261509-03-23～09-04-075.0(64d,20.0-15.0)－WLD－32Z－240252009-04-08～09-04-283.7(64d,19.0-15.3)－注：“计算值”栏内的数值，括号外系按“预张－初张－终张－60d徐变”计算，括号内则按“终张－徐变60天”计算求得。平均徐变增量（64－67天）为：3.8mm；六、阶段施工与一次落架分析结果的对比连续梁一、40+56+40m连续梁1、各阶段挠度变化情况14121064208116316516716916111613161516t(d)(12.6)(10.1)(4.5)(7.3)(7.1)(5.9)fxb(mm)徐变60天后上二恒的徐变挠度徐变300天后上二恒的徐变挠度二、40+64+40m连续梁1、各阶段挠度变化情况残余徐变：3.1－5.7＝-2.6mm1002003004005006007008009001000110012001300140001024681214(13.4)(5.7)(3.1)(11.0)中跨合拢→徐变330天→二恒120kN/m完成→徐变1000天挠度变化曲线经过分析，当体系转换完成后，分别使桥梁徐变60、180、330天后再完成二期恒载（120kN/m），则其跨中残余徐变挠度分别为：⑴60天徐变后上二期恒载：fcy＝1.6－3.9＝－2.3mm；⑵180天徐变后上二期恒载：fcy＝2.5－4.9＝－2.5mm；⑶330天徐变后上二期恒载：fcy＝3.1－5.7＝－2.6mm。2、各阶段弯矩变化情况3、各阶段应力变化情况中跨合拢后结构应力分布徐变330天后结构应力分布二期恒载（120kN/m）完成后应力分布动力荷载（动力系数：1.043）组合工况下结构应力分布4、结构部分动力特性及支座位移情况工况类别静活载下跨中挠度静活载下梁端竖向转角竖向自振频率mmrad(Hz)设计-16.00.586‰2.13竖向对称徐变60上二恒-14.840.5322‰2.4143竖向对称徐变180天上二恒-14.820.5317‰2.4154竖向对称徐变330天上二恒-14.810.5311‰2.4167竖向对称工况类别支座0支座1（固）支座2支座3mmmmmmmm设计27.40-35.3-63.6徐变60上二恒20.20-36.3-54.9徐变180天上二恒20.6036.955.9徐变330天后上二恒21.00-37.7-57.2三、60+100+60m连续梁(,)121()[1]tgtgggMMMMe''(,)121()[1]tptptptptMMMMe0'111ptptptMMM