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1、大跨预应力混凝土箱梁桥 收缩徐变效应测试与分析汪剑方志（湖南大学 湖南长沙 410082）摘 要:预应力混凝土箱梁桥以其良好的结构整体受力性能在现代大跨桥梁结构中得到广泛应用，但迄今所 修建的混凝土箱梁桥中，运营阶段箱梁开裂及下挠过大的现象较为普遍，实际混凝土箱梁桥中混凝土收缩 徐变作用及其效应认识的不足是其可能产生的原因之一。现行有关混凝土收缩徐变的计算公式多以试验室 模型试验结果为依据确定，由于实际混凝土箱梁结构的尺寸较大同时又处于复杂的自然环境中，因此对实 际结构进行长期测试以获得能够验证现行规范混凝土收缩徐变计算公式的实测数据显得尤为重要。结合某 高速公路上两座大跨预应力混凝土箱梁桥的
2、修建及运营，对处于自然环境中的箱梁桥在混凝土收缩徐变作 用下的真实反应进行测试，并详细地分析各测试数据，在此基础上提出同时考虑混凝土温度、环境相对湿 度、箱梁局部理论厚度等因素及其变化的混凝土收缩应变和徐变系数计算方法，并将其应用于实际桥梁的 收缩徐变效应分析中，得出一些具有实用价值的结论，为实际箱梁桥的收缩徐变计算提供参考。 关键词:混凝土箱梁 收缩徐变 长期测试与分析引 言多年来，国内外众多专家和学者对混凝土收 缩徐变预测模型这一课题开展了大量的研究工 作， 并取得了一批重要的成果，但必须强调的 是，在现阶段较为流行的预测模型基本上都是建 立在试验室数据基础上的经验公式，由于试验室 特定条
3、件（ 恒温、恒湿、小试件）的局限或研究 者侧重点的不同，不同的研究者提出的模型所考 虑的影响因素也不尽相同，因此各混凝土收缩徐 变模型均需要实际结构中的实测结果加以验证。 尽管国外对实际桥梁的长期观测已取得了较为丰富的成果， 特别是Peter F.Takcs等（2002）1和LiXianping 等（2002）2 所取得的丰 富数据，但是需要指出的是，两者研究的桥梁所 处的环境具有一定的相似性：Norddalsfjord桥、 Stovset桥和Stolma桥处于挪威海岸线，其环境平 均温度510，而North Halawa桥的环境温度 2025 ，相对湿度80%90%，因此其相对湿度 和温度终
4、年变化不大。而对于国内大多数地区， 相对湿度和温度在一年中的变化均较大，并且Li 在文中还提到“尽管当地夏天和冬天的温度相差 较小，但实测数据表明夏季混凝土的应变率在增本文获第三届欧维姆优秀预应力论文奖一等奖（原 载土木工程学报2008.No.1）加而冬季的在降低”2，因此有必要结合国内实 际工程的修建，对其在自然环境下结构内的反应 进行测试，以确定适合于当地的混凝土收缩徐变 模式。本文以衡昆高速公路沿线两座大跨预应力 混凝土箱梁桥为依托，基于施工过程及成桥后 较长时间内对结构反应的系统观测，研究处于 自然环境中的实际结构在混凝土收缩徐变作用 下的真实反应，为混凝土箱梁桥的收缩徐变计 算提供参
5、考。1 混凝土箱梁桥收缩徐变效应现场测试所分析测试的两座桥梁分别为衡阳东阳渡湘 江大桥（主跨150m的预应力混凝土连续梁桥）和 祁阳白水湘江大桥（主跨120m的预应力混凝土连 续刚构桥），在施工过程中及成桥后进行了长达 5年的现场观测。测试内容包括桥址环境温度 场、混凝土箱梁温度、各控制截面应变变化及 挠度变化。图1为衡阳东阳渡湘江大桥各应变和温度测 试截面总体布置图，温度测试截面为T1T4 截 面， 各温度测点布置如图3（ a）所示，应变测 试截面为S1S10，其中S1、S10 为边跨合龙段截面，S4、S7 为中跨合龙段截面，其余截面为各墩 根部附近截面（各墩2号块与3号块相交截面）， 各截
6、面应变测点P1P8 如图3（ b）所示（根部截 面梁高9.5m，跨中截面梁高3.8m）。图2为祁阳 白水湘江大桥各应变和温度测试截面总体布置 图， 温度测试截面为T1截面，应变测试截面为 S1S12，其中S11截面为2号墩墩底截面，S12截面 为3号墩墩顶截面，温度测点布置及应变测点布置 如图3（a）、（b）所示（根部截面梁高7.2m，跨 中截面梁高3.0m）。在施工过程中，挠度测点布 置在各梁段前端截面顶板上，成桥后， 挠度测点 布置在防撞栏杆上，如图3（c）所示。现场测试选用智能钢弦式应变计作为应变测 试传感元件，挠度采用精密水准仪进行测试。施 工过程中，对各主要工况下的应变变化进行了测
7、试，成桥后对各桥进行了为期3年的跟踪观测， 到目前为止，测试时长接近1500天。2 混凝土箱梁应变测试结果及分析由于测试数据较多，现仅给出具有典型的、具有代表性的测试结果，如图4 图16 所示（图 中应变单位均为，负值为压应变）：图4 图5为衡阳东阳渡湘江大桥箱梁根部附 近截面上、下缘部分测点应变；图6 图7为衡阳 东阳渡湘江大桥箱梁主跨合龙段截面上、下缘部 分测点应变；图8图11为祁阳白水湘江大桥箱梁 根部附近截面上、下缘部分测点应变；图12图13 为祁阳白水湘江大桥箱梁主跨合龙段截面上、下 缘部分测点应变。各图中虚线为桥梁施工阶段和 运营阶段分隔线，如图4所示。-800-800-710S5
8、截面测点P6-700-620-600-530-500-440-400-350-300-260-200-170-100测点P1-800S3截面测点P110测点P6100S3截面测点P4测点P4 测点P6S3截面测点P61002000 140 280 420 560 700 840 980 1120 1260 14000 140 280 420 560 700 840 980 1120 12601400测试时间（天）测试时间（天）图5 东阳渡大桥根部下半幅主跨S5截面测点应变图9 白水大桥根部上半幅主跨S3截面测点应变-800-800-720S1截面测点P3-720S5截面测点P1测点P1 测点P
9、3S1截面测点P4S5截面测点P3-640-640-560-560-480-480-400-400-320-320测点P3-240-240-160-160-80测点P4-80000 110 220 330 440 550 660 770 880 990 11000 140 280 420 560 700 840 980 1120 12601400测试时间（天）测试时间（天）图6 东阳渡大桥合龙段下半幅次边跨S1截面测点应变图10 白水大桥根部上半幅主跨S5截面测点应-800-800S6截面测点P4-720-720S6截面测点P6-640-640-560-560-480-480-400-400-
10、320-320-240测点P1-240-160S4截面测点P1-160-80S4截面测点P4测点P4 测点P6-80测点P4测点P6S4截面测点P6000 110 220 330 440 550 660 770 880 990 11000 140 280 420 560 700 840 980 1120 12601400测试时间（天）测试时间（天）图7 东阳渡大桥合龙段下半幅主跨S4截面测点应变图11 白水大桥根部上半幅主跨S6截面测点应变-800-1100-700-940-600-780-500-620-400-460-300-300-200-140S4截面测点P2测点P2 测点P3-100
11、测点P120S4截面测点P3S4截面测点P7测点P80S2截面测点P1180S4截面测点P8 测点P7测点P6100S2截面测点P4测点P4 测点P6340S4截面测点P5S2截面测点P6S4截面测点P6测点P52005000 140 280 420 560 700 840 980 1120 126014000 130 260 390 520 650 780 910 10401170 1300测试时间（天）测试时间（天）8 白水大桥根部上半幅次边跨S2截面测点应变图12 白水大桥合龙段上半幅主跨S4截面测点应2.1 应变测试结果分析对于祁阳白水湘江大桥上半幅，各截面上、 下缘典型测点在测试期间
12、一年内的变化如图14 所 示（为避免温度的影响，在此仅比较成桥后相同 季节和相近温度下的测试数据，即比较上、下缘 各测点2004.4与2005.4、2004.8 与2005.8、2004.10与2005.10、2005.4 与2006.4 的变化，分别记为时 段1、时段2、时段3、时段4）:从图中可以看出, 对于箱梁根部截面上、下 缘测点，其应变增量相差较大，如主跨根部S5截 面，上缘应变基本保持不变，而下缘压应变增量 可达100，表明两者有着不同的应变增长趋 势，而对于箱梁合龙段截面上、下缘测点，其应 变增量相差相对较小，表明两者的应变增长趋势基本相同。从以上两座桥的应变测试数据可以看出，不
13、 论是连续梁桥还是连续刚构桥，其箱梁混凝土应 变发展规律均有一个共同点，即箱梁上、下缘应 变发展规律不尽相同，特别是对于箱梁顶、底板 厚度相差较大的根部截面，上缘应变在成桥后的 23 年内基本趋于稳定，下缘应变仍具有一定的 增长趋势, 而对于跨中截面和合龙段截面，上、 下缘应变发展趋势基本相同，造成这一现象的原 因主要有以下几点：（1）箱梁根部截面顶、底板厚度相差较 大，如东阳渡湘江大桥根部截面顶板厚度仅为 0.3m，而底板厚度达0.9m，造成顶板混凝土收缩 应变的发展速度明显高于底板混凝土；（2）在施工过程中，混凝土箱梁顶板会直 接受到日照的作用，使得其内的混凝土温度要明 显高于底板混凝土温
14、度，导致其混凝土干燥速率 明显高于底板，造成顶板混凝土的收缩速率和干 燥徐变速率要高于底板混凝土；（3）箱梁根部截面顶、底板配筋率有所不 同，顶板内的普通钢筋和预应力钢筋较为密集， 特别是成桥后，箱梁根部截面顶板内的预应力钢 筋较多，抑制了其内混凝土的收缩徐变的发展， 而底板内的配筋率相对较小，对混凝土收缩徐变 的约束作用也相对较弱；（4）箱梁根部截面上、下缘的初始应力大 小和施工过程中的应力变化不同，一般情况下 上缘所受到的压应力要小于下缘的压应力，如 至成桥时刻，就理论值而言根部截面下缘压应 力为9MPa，而上缘压应力仅为3MPa。综上几个因素的影响，使得箱梁根部截面 上、下缘应变发展规律
15、有所不同，而对于合龙段 截面和跨中截面，其初始应力相对较小，顶、底 板厚度和配筋率基本相同，且合龙段施工完后不 久立即进行桥面铺装的施工，使得其顶板受到日 照的机会大大降低，因此其顶、底板应变发展规 律基本相同。鉴于此，在箱梁桥的收缩徐变分析 中，应尽可能多的考虑以上各种因素的影响，使 得箱梁桥的收缩徐变分析更能反应实际。2.2 挠度测试结果分析由于测试期间两桥仍有车辆通过，且温度对 挠度的变化影响较大，因此部分挠度测试结果较 为零散，图15为祁阳白水湘江大桥上半幅成桥后 在相同温度情况下几次测试较好的结果比较。图 中横坐标为桥梁纵向，正值表示从衡阳向昆明方 向，其中0m表示的是桥梁衡阳侧端头位置处， 234m为2号墩0号块中
