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

6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。

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2。

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（σ＜0.3fc），瞬时应变εela为弹性变形。根据虎克定律预测。

E=

εela==

lela=∫εeladh =∫dh

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：

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。

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

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；、分别为随混凝土龄期而增长的滞后塑性应变。

徐变变形量

lcr= lela

墩顶高程总变形量

∑＝lg + lt + lela + lcr 

2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。

＋

、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

＋rtdh

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

墩顶水平位移总量

∑=△p＋△t

《桥规》规定，墩顶水平位移容许值为K。

3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。

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。

εg（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===2.978×104MPa

εela==

lela=∫εeladh =∫dh＝＝15.4mm

徐变变形量：

本例满足老化理论适用条件，故采用老化理论，

取2；β取3；τ取180天；t取28天。

2

lcr= lela＝2×15.4＝30.8mm

∑＝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 

＝

＝=10mm

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

＝＝6.9mm

3.2.2日照下向阳面和背阳面温差引起的墩顶水平位移。取＝25℃

＝6.3mm

＝4.7mm

墩顶水平位移总量

∑z=△pz＋△tz＝16.3mm＜K＝5＝40.5mm

∑h=△ph＋△th＝11.6mm＜K＝40.5mm

4  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

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）