考虑时变性和不确定性的混凝土桥梁收缩徐变及预应力损失计算方法

【摘要】：预应力混凝土桥梁以其跨越能力强、施工技术成熟、行车舒适、工程造价低、养护简单等独特的优势,在桥梁工程领域具有广阔的工程应用前景。据不完全统计,在国内外已建桥梁中,混凝土桥梁在所有桥型中所占的比例最大：在欧洲和美国,混凝土桥梁占已建桥梁的70%以上；我国比例更大,混凝土桥梁占90%以上。在混凝土桥梁向大跨、高墩方向飞速发展的同时,已建成的大跨桥梁结构,在运营数年后70%以上出现了不同程度的病害,其中主梁跨中下挠与箱梁1/4L左右腹板开裂尤为突出,成为制约大跨径混凝土桥梁进一步发展的关键技术难题。 国内外学者分析这些病害问题后发现：混凝土收缩徐变、预应力损失大是出现病害的主要原因,而目前相关的收缩徐变、预应力损失计算方法还不完善,不同计算方法之间的差值可达30%以上。因此,随着交通基础设施的不断发展和完善,迫切需要寻求新的理论方法,解决混凝土桥梁收缩徐变和长期预应力损失计算结果与工程实际差别较大的难题。 本文的研究工作,主要围绕进一步完善和改进混凝土桥梁收缩徐变和预应力损失分析方法而展开。在综合考虑混凝土收缩徐变的时变性和不确定性、分析长期预应力损失中混凝土收缩徐变与钢筋应力松弛之间的相互影响作用、提出自重轻的混凝土桥梁结构进行工程应用等方面展开了系统、深入的研究工作。本文的主要研究成果和创新点如下： (1)详细评述了目前混凝土桥梁中收缩徐变和预应力损失计算的理论意义、发展现状、应用背景、研究成果等；系统分析了目前混凝土收缩徐变和预应力损失计算方法存在的问题与不足,在此基础上,阐述了本文研究工作的思路和主要研究内容。 (2)提出了同时考虑时变性和不确定性的混凝土桥梁收缩徐变分析方法,利用按龄期调整的有效模量法(AEMM)分析混凝土的时变性,运用准确、快速抽样的拉丁超立方抽样随机有限元法(LHS)分析混凝土的不确定性,。研究结果表明,在没有把握对常规收缩徐变方法计算的确定性结果作出准确判断的基础上,通过考虑时变性和不确定性的混凝土桥梁收缩徐变分析方法,获得桥梁结构的长期内力值域区间,并对整个值域区间进行全面分析,使设计时能够多重考虑桥梁结构的不利受力状态,因而计算结果保证率更高、结构安全性更好。 (3)提出了考虑混凝土收缩徐变和钢筋应力松弛的混凝土结构预应力损失计算方法,根据预应力筋和混凝土应力平衡方程及变形协同条件,基于AEMM法和LHS法,推导同时考虑收缩徐变时变性和不确定性、及其与钢筋松弛相互作用的预应力损失计算公式。分析结果表明,预应力损失试验梁的长期预应力损失实测值均位于本文预应力损失方法计算的值域区间中部,说明本文长期预应力损失方法计算结果准确、可靠。 (4)针对国内外连续刚构桥跨中下挠与腹板开裂病害问题,从减轻结构自重和优化结构力学性能出发,提出一种基于混凝土密度梯度变化的连续刚构桥新结构,该结构跨中采用高强轻集料混凝土、1/4L左右采用纤维增强抗裂高强次轻混凝土、墩梁固结处采用高强普通混凝土,通过对不同密度混凝土材料的优化配置,达到减轻结构自重、减小收缩徐变、提高腹板抗裂性能的目的。混凝土密度梯度变化的连续刚构桥空间内力分布表明,该结构受力合理、可靠。 (5)运用考虑时变性和不确定性的混凝土桥梁收缩徐变分析方法,对基于混凝土密度梯度变化的连续刚构桥进行收缩徐变效应分析。研究结果表明,在收缩徐变时变性和不确定性影响下,运营前3年桥梁结构应力和挠度均增加明显,3年后逐渐趋于稳定。本文提出的收缩徐变方法计算的内力和挠度增量确定性值,与AEMM法计算值基本相等；且在95%置信界限和桥梁运营30年内,本文提出的收缩徐变方法计算的收缩徐变值域区间小,置信上限值大,对结构安全保证率高。说明考虑时变性和不确定性的混凝土桥梁收缩徐变分析方法,在工程应用上具有可行性。 研究成果为解决大跨径混凝土桥梁跨中下挠与腹板开裂病害提供了技术支撑,为混凝土桥梁的技术进步奠定了理论基础。