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施工过程中预应力混凝土箱梁铰的挠度

Ahmed Akl ，M. Saiid Saiidi ，Ashkan Vosooghi

摘要

多跨现浇（CIP）后张法预应力混凝土箱梁桥（PS）因为张拉力而进行向上偏转（curl）。由于缠绕和碰撞会导致交通安全隐患和出现道路风险，为了解决缠绕和避免碰撞，现场调整临时支架的高度通常是必要的。目前估计铰链卷曲的方法经常和现场使用的方法有很大差异，从而导致施工延期以及高额的改建费用。本文研究的主要目的是测量五个梁段的桥跨和近跨度的十个铰链在施工几个月后的扰度变化，并将结果和当前理论进行比较。基于对数据的分析，对测量和计算的数据之间的相关性进行了研究。对短期和随时间变化的铰链卷曲进行了评估，观察并量化了实际和理论数据间的大量差异。为了更准确的估计铰链卷曲，数据被用来确认发生差异的原因以及确认新方法的发展方向。为了解决差异的源头，一个新方法得以发展，作为这个研究的一部分。然而，新方法的描述超出了当前文章的范围和页面限制。

1介绍

现浇（CIP）后张法预应力混凝土箱梁（PS）正广泛应用于美国西部的公路桥梁中。桥梁上部结构中的铰链（图1A）将桥梁划分为较短的框架，以适应由于预应力，温度，上部结构的徐变和收缩所引起的水平滑动并减少柱应力。铰链所在桥跨被称为铰链跨度，包括一些长的短的悬臂梁，短悬臂梁支撑着长悬臂梁，长悬臂梁连接着铰链（图1B）。桥跨铰链是桥梁中相对复杂的部分，在设计、详细设计以及施工程序等方面需要特殊考虑。

桥跨铰链的卷曲被称为“铰链卷曲”，是一种由预应力引起的短悬臂梁的初始向上扰度。加载在长悬臂时，卷曲会减少，甚至可能向下偏转。铰链卷曲也受混凝土和预应力筋的时间相关材料特性的影响。

为了正确地匹配铰链两侧的高程并避免路面颠簸所带来的风险，铰链卷必须能够在施工过程中调整上部结构支架。在现有的加利福尼亚交通部（交通局）备忘录中有一个由设计师（MTD）11-34 [ 1 ]所提供的估计铰链卷的方法。这个估计方法被用来在桥梁设计中指导开发商调整临时支架的高度,一旦估计与实际铰链卷曲间出现显著差异，应由现场工程师报告。图3显示了一个在桥梁施工过程中观察到的铰链卷曲。

CIP / PS桥支承在临时支架（图4） 上施工直到上部结构达到指定的混凝土强度以及桥梁变得独立。考虑到长期的挠度上部结构通常是弧形的，因此铰链需要适当地弯。

（a） （b）

图1.（a）CIP/PS箱梁跨接铰链（N170-N5连接者，洛杉矶）（b）铰链跨度（德尔公园高架，萨克拉门托）

图2 CIP / PS箱梁桥跨距铰链的建造。

图3.施工中的铰链卷曲 图4 桥梁脚手架

从而确保桥面间的路面光滑，保障路面的行驶安全舒适。铰链的最终位置受从短悬臂到长悬臂的加载时间的影响。这个时间段通常在30到180天之间，具体取决于实际施工进度。因此，铰链卷曲所考虑的时间依存的预拱度（向上偏转）通常作为合同的一部分提供。跨度铰链的短悬臂在张拉后会向上偏转，直到负载从长悬臂转移。重要的是，在荷载转移的过程中，短悬臂的位置与铰链的长悬臂是相匹配的。否则，为了（图5）纠正差异在施工过程中就必须进行补救措施。这些措施被认为是“订单变更”，导致了额外的成本和工程延期。

图5铰链卷曲补救工作：（a）短悬臂混凝土的打磨; （b）长悬臂的桥面板表面粗糙化; （c）短悬臂上的短暂重量; 和（d）可调节的脚手架。

补救工作可能包括打磨短悬臂的桥面混凝土，在表面粗化后放置聚酯混凝土覆盖长悬臂，在施工过程中临时用重物加载短悬臂，顶进长悬臂采用可调支架柱。覆盖在钢筋面板上的混凝土可能大量的减少，导致面板钢筋由于打磨而容易被腐蚀。

混凝土徐变和预应力损失是影响铰链卷曲的重要因素，对混凝土的徐变和预应力损失已经进行了大量研究，已经有不同的经验公式对这些影响进行了估计。经验公式通常由相对较小的样本进行校核，因为来自于长期预应力混凝土梁桥的数据是有限的。

一些现场调查进行了CIP / PS混凝土拱度检测和随着时间变化的预应力损失[ 5 - 8 ]。在[ 6 ]现场测量结果表明，测得的最大偏转约为预测值的一半，这是由于常规设计通常忽略的桥台所提供的部分固定所引起的。其他对于混凝土节段的预应力跨中铰链和预制梁的研究显示了测量和预测值间的不同。在CIP/ PS箱梁桥的任何方面的跨中铰链卷曲，在过去的研究中是没有可用的报告的。MTD 11-34是唯一可用的文档，描述了一个确定铰链卷曲的方法。本文提出了现场研究的目标，（1）确定目前估计方法应用于实际估计时存在偏差（2）量化实际和估计的铰链卷之间的差异（3）确定现场和估计的铰链卷之间的差异的主要来源。考虑到现场数据的典型变化，对于五座桥梁数据的频繁的收集充分的捕捉到了这些变化趋势。通过对铰链卷曲进一步的时间依赖性分析，计算建模和一个新的估计铰链卷曲的方法可以被发现。[ 12 ]。

2桥梁的描述

选择加利福尼亚的五个桥梁，对它们的随时间变化的挠度的跨度铰链进行监测。所有的桥梁有整体的上层建筑/弯曲帽连接。样本包括桥梁监测中各种配置和几何方面的现代桥梁，与施工进度相一致的研究项目的时间跨度。研究主要集中在短悬臂以及短悬臂相邻跨度的偏转。由相邻跨度的数据有助于确定上部结构的桥墩连接，这被发现影响铰链卷曲。

铰链的跨度通常由短和长的悬臂，悬臂短（SC）支持长悬臂（LC）如图6B所示。一个典型的预应力箱梁桥跨度铰链通常有两个钢筋混凝土构件在两个阶段构成（图6c），在铰链间距和相邻的跨度的预应力及预应力孔道灌浆的完成后。

由胶合板，梁、桁条、顶盖、底盖、立柱、楔子、砂千斤顶、牛腿、和基础垫（图7）组成的传统支架系统是用来在施工过程中支撑桥梁。当撤除铰链下的支架时，铰链的负载由长悬臂转移到短悬臂。然而，除非撤销相邻的跨度脚手架，否则无法进行荷载转移。预应力操作（图8）是连续的，并在一个或两个端部，根据桥架的长度进行。五桥所采用的预应力束是270级的，有着270 ksi的极限抗拉强度（1860 MPa）和28500 ksi的弹性模量（193000 MPa）。预应力筋为0.6（15.24毫米）直径、低松弛、七线股（ASTM A416）。指定的拉伸力为钢筋极限强度的70%。指定的最小初始混凝土抗压强度、f0ci，3.5 ksi（25 MPa）在施力期间满足所有的五座桥（交通局2010）。

在现场研究中，调查了12个跨度铰链的八个结构。其中七个结构是CIP / PS有十个铰链，一个是CIP /非PS有两个铰链。对非PS铰链与PS铰链进行了比较。随后的部分突出了被调查桥梁的主要特征以及更多的细节和信息。

图6。CIP / PS桥的典型桥梁配置（a）具有两个跨距铰链的桥梁的纵向视图; （b）铰链跨度; 和（c）跨度铰链细节。

2.1。桥1：圣路易斯雷伊河大桥

圣路易斯雷伊河大桥位于圣地亚哥地区。2010开工， 2012四月通车。桥的总长度大约为1725英尺（526米）。该桥由三个框架延伸超过九个跨度，并有两个跨铰链。现场数据收集到中间框架，即第二个框架（图9）。第二个框架的总长度有648英尺（197.5米），由三跨两短悬臂组成（图9a）。框架支撑在四，两柱横向曲率半径为1969英尺（600米）。混凝土的28天抗压强度为3.6 ksi（25 MPa）。

图7.典型的脚手架

框架2上部结构是连续现浇四箱室预应力混凝土箱梁。箱梁有固定的高度当它的宽度随长度变化时。框架2的上部结构腹板包含15根预应力筋，共有336股。预应力筋放置在如第9b图所示的抛物线形上。在第二框架俩端，即第三和第七铰链处进行张拉，顶推力为 14754kip（65630KN）。抗压强度为预应力混凝土28天达到的4.5 ksi（31 MPa）以及3.6 ksi（25 MPa）的预应力强度。

2.2桥2：N170-N5连接者

n170-n5连接者位于洛杉矶地区。该工程于2010年底动工，并于2013年五月通车。桥2总长度为2352英尺（717米），由三个框架延伸超过十一跨度包括两个跨铰链构成。现场数据收集在第二个框架，图（10）。框架2总长度为709英尺（216米），三跨且包括两个短悬臂（图10A）。调查的框架水平弯曲半径为1640英尺（500米），有三个单柱排架及支腿弯（弯曲7）。指定的28天混凝土抗压强度为3.6 ksi（25 MPa）。

图8预应力工艺：（a）铰链; 和（b）桥台。

图9框架2，桥梁1（a）高程和计划; 和（b）预应力钢筋形状。

第二框架的上部结构是连续的，现浇的，单箱三室预应力箱梁。箱梁随着跨度的变化有着不同的宽度和高度。14根由362股钢绞线组成的预应力筋布置在第二框架。预应力筋按照抛物线形布置，如图10b。第二框架施加15910kip（70771kn）的顶推力进行俩端张拉。桥梁预应力混凝土规定的28天抗压强度为3.6 ksi（25 MPa），上部结构和盖梁分别为4 ksi（28 MPa）和5 ksi（35 MPa）。

2.3桥3：空中的布拉德利

空中的布拉德利位于加利福尼亚中部的默塞德地区，是两平行桥中的第一座桥。该工程2012年动工，2013年一月建成通车，总跨度为1161ft（354m）。该桥共七跨，由俩个框架和一个跨中铰链构成。现场数据由第一个框架收集，第一个框架为489ft（149m）长的结构，由三个跨度和一个短悬臂构成。架柱2是单排架柱，架柱3和4是双柱的，其中有个柱子是建设附桥时的临时柱子。规定的28天混凝土抗压强度为4ksi（28Mpa）。

框架1的上部结构是连续，单箱双室，变宽变高截面。9根由199股钢绞线组成的预应力筋布置在第一框架。预应力筋按照抛物线形布置，如图11b。8745kip（38900kn）的顶推力对框架1俩端，桥墩，铰链进行张拉。规定的预应力张拉强度为3.6ksi（25MPa），28天抗压强度为5ksi（35MPa）。

图10框架2，桥梁2（a）高程和计划; 和（b）预应力钢筋形状。

2.4桥4：EB威尔夏大道匝道OC

EB威尔夏大道匝道OC坐落在洛杉矶，12年动工，13年9月通车。总长1197ft（365m）。

由俩个框架组成，框架1为CIP/RC,框架2为CIP/PS，如图12所示。该桥共八个跨度，一个跨中铰链。从框架2收集现场数据。该框架总长535.8ft（163.32m）由三个桥跨和一个短悬臂组成（图12a）。单排柱，规定的混凝土28天抗压强度为5ksi（35MPa）。

框架2的上部结构是连续，现浇，预应力混凝土，3室，固定梁高变宽。6根由205股钢绞线组成的预应力筋布置在框架2.。预应力筋如图12b按抛物线布置。上部结构在9号桥墩张拉，顶推力为9000kip（40034KN）。规定的预应力张拉强度为4.5ksi（31MPa），28天抗压强度为5ksi（35MPa）。

2.5桥5：戴尔海峡公园高架桥

戴尔海峡公园高架桥是桥梁扩建项目坐落于萨克拉蒙托区域的80号洲际公路，高速公路（1-80）。该项目包括俩座桥：东界桥（桥5EB）和西界桥（桥5WB）。该项目2013年动工，2014年四月部分通车。

2.5.1东界桥

该桥大约1322ft（403m）由三个框架组成：F1，F2，F3（图13）。框架1和3是CIP/PS,框架2是CIP/RC。10跨4铰链。其中俩个铰链被标记为”合龙”（C1和C2）在桥梁中，因为它们是非典型的铰链，没有底和顶。另外俩个是典型的铰链被标记为铰链1和铰链2。合龙基本上是广泛的加固横隔板的一种方法，在单一的混凝土浇注中，如图14a。合龙断1和2在铁路之上的下降跨度的端部。桥跨变得和合龙段浇注后剩余的上部结构部分完全连续（图。14b）。但是，因为建筑时期，上部结构的扰度预计会降低下降跨度和合龙段。因此，决定在C1,C2收集数据，即使这些不是典型铰。

只有两个框架被调查，F1和F3。框架1包括三个跨度一个短悬臂，从桥墩 1到铰链1共361ft（110m）。框架3是561ft（171m）长，由三个单元组成（A,B,以及C）在俩个阶段施工。单元B（下降跨）直接在高支架浇筑并且后张拉，在C1，C2下降前（图15）。这是为了调节桥下的轻轨。框架3（单元A）的第一段玉位于铰链2和合龙段1之间由盖梁8和9支撑。第三单元（单元C）由一个跨度短悬臂组成，在合龙2开始，11号坐式桥台结束框架1是直的，但是框架3是水平半径为1801英尺的曲线。东界桥由单排柱支撑，规定的28天混凝土强度为3.6ksi（25MPa）。

图11. 框架1，桥梁3（a）高程和计划; 和（b）预应力钢筋形状。

框架1和框架3的上部结构是连续，现浇的预应力2室混凝土箱梁。固定梁宽梁高。9跨，在盖梁9和10处梁高增加，合龙1和2相对有更小的梁高（图13）。预应力筋分别布置在框架1和3抛物线处，如图16a，b所示。框架1是在俩端张拉，桥墩1和铰链1,3600kip（16014KN）的顶推力。一端的张拉在框架3的单元A和C在铰链2桥墩11，顶推力分别为5800kip（25800KN）和4400kip（19572KN）。规定的张拉预应力混凝土强度为3.6ksi（25MPa），28天混凝土强度为4ksi（28MPa）

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