韓樹亮，汪　蓮

預應力連續(xù)箱梁橋混凝土收縮徐變效應

韓樹亮，汪蓮

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院 合肥 230009）

混凝土收縮徐變效應對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及線形產(chǎn)生不可忽視的影響。混凝土收縮徐變機理復雜，影響因素多，隨機變化量大，它對結(jié)構(gòu)性能的影響至今難以得到精確的解答。文章以某改建連續(xù)箱梁橋為工程背景，通過建立有限元模型，模擬分析了預應力混凝土連續(xù)箱梁橋在成橋階段和若干年后的收縮徐變效應，經(jīng)過理論計算，得出混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形的影響規(guī)律,期望能為同類橋梁的設(shè)計和施工提供參考。

混凝土收縮徐變；連續(xù)箱梁橋；有限元分析

0　前 言

混凝土是建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的材料，它的性質(zhì)會隨著時間產(chǎn)生一定的變形，這種變形主要分為收縮和徐變兩類。其中，收縮變形的大小不受荷載作用的影響；徐變變形由荷載作用引起。收縮效應和徐變效應是混凝土粘彈性的基本特征[1]。

1　混凝土收縮徐變的基本內(nèi)容及作用原理

1.1混凝土的收縮

混凝土的收縮作用對橋梁內(nèi)力的影響很大，混凝土的收縮是由于一系列的物理化學變化造成的，這種變形不依賴于荷載而與僅與時間有關(guān)[2-4]。在混凝土凝結(jié)初期，收縮的主要原因是水化物在水化過程中的體積變化，凝結(jié)后期主要是由于混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)而引起的干縮?；炷恋牟牧蠘?gòu)成和配合比設(shè)計都是影響混凝土收縮的重要因素。其他影響因素還包括化學反應、溫度變化和水分蒸發(fā)等。如果混凝土結(jié)構(gòu)在收縮過程中不受到約束，稱為混凝土的自由收縮，不會產(chǎn)生溫度應力。但是在實際結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮變化往往處于各種約束之下，因而會產(chǎn)生較大的拉應力。混凝土收縮主要分為：干燥收縮，塑性收縮，自身收縮及碳化收縮[5]。

由于收縮變形產(chǎn)生的內(nèi)力相比于其他作用的內(nèi)力在靜定結(jié)構(gòu)中影響微小，所以在連續(xù)梁橋計算時可忽略收縮產(chǎn)生的內(nèi)力，主要考慮混凝土在干燥收縮后的變位。通過一系列的理論計算，再結(jié)合實踐經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)混凝土的干縮應變與混凝土單位體積上的含水量是成正比的[6]。

1.2混凝土的徐變

在持續(xù)荷載作用下，混凝土的應變會隨著時間不斷增加，我們把這種現(xiàn)象叫做混凝土的徐變[7]。徐變分為基本徐變和干燥徐變兩種?；拘熳儾豢紤]水分變化，而干燥徐變主要考慮混凝土水分變化。對于預應力結(jié)構(gòu)而言，由于混凝土的徐變效應，會造成預應力松弛現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。影響主要因素包括混凝土配合比，構(gòu)件的尺寸大小和所處的環(huán)境條件等[8]。實踐表明，在持續(xù)荷載作用下，徐變開始時發(fā)展較快，后期減慢。卸載后，變形可以分為三部分，即瞬間變形，徐變變形，和殘余變形[9-10]。

由于收縮、徐變緊密相關(guān)，影響混凝土收縮的同時在很多方面也是影響混凝土徐變，在研究分析中兩者均可以采用相似的應變方程。因此，針對預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，文章將收縮、徐變效應同時進行研究。

2　工程背景

2.1工程概況

某工程為一舊橋改建項目，是連接城市核心的重要通道，呈南北走向，全長約1.951 km，主橋為（62.5+105+62.5）m變截面懸澆連續(xù)箱梁。主橋上部結(jié)構(gòu)采用三跨單箱單室變截面直腹板連續(xù)箱梁。箱體頂板寬14 m，厚0.28 m，設(shè)1.5%的單向橫坡；底板寬7.6 m，厚度由跨中的0.3 m按二次拋物線變化至距主墩中心3.75 m處的0.8 m，橫橋向底板保持水平；跨中梁高2.5 m，箱梁根部梁高6.5 m，箱梁梁高按2.0次拋物線變化；腹板厚度0～4號塊為0.90 m，6～9號塊為0.75 m，11～15號塊為0.6 m，在5號塊范圍內(nèi)由0.90 m按直線變化到0.75 m，在10號塊范圍內(nèi)由0.75 m按直線變化到0.60 m；翼緣板懸臂長為3.19 m，端部厚0.22 m，根部厚0.9 m。橋梁立面構(gòu)造如圖1所示。

圖1　橋梁立面圖

2.2有限元模型建立

橋梁采用懸臂法施工，全橋共有14個懸臂節(jié)段塊，合攏段長度為2 m。本橋通過Midas/Civil有限元軟件模擬連續(xù)梁橋懸臂施工過程，通過軟件模擬，對模型中連續(xù)梁橋采用梁單元進行分析，全橋劃分為78個梁單元，每個節(jié)段塊作為一個單獨的梁單元。橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2　橋梁有限元模型

2.3邊界條件及荷載組合

邊界條件的處理一般是隨著施工的進程而時刻變化的。0#塊施工是在臨時支架上完成的，所以0#塊的邊界是通過約束Z方向的線位移來實現(xiàn)。在懸臂施工階段，支架會被拆除，由鋼管和臨時固結(jié)來支撐上部結(jié)構(gòu)。而橋梁在完成體系轉(zhuǎn)化后，整個橋梁上部結(jié)構(gòu)落在主墩上，此時上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間就是通過鉸接連接，它允許在順橋向平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。本文擬分析比對成橋初期以及10年徐變后的應力組合的影響效應，控制工況均為：自重+二期恒載+汽車+人群。其中結(jié)構(gòu)混凝土容重取值為26 kN/m3, 二期恒載取17.9 kN/m2，汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》采用公路-Ⅱ級，行車道數(shù)取2車道，橫向折減系數(shù)為1.0，人群荷載取值為2.5 kN/m2。

3　收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

3.1對內(nèi)力的影響

在成橋階段依照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，對模型施加3650天的荷載作用，考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等敏感性參數(shù)。對比3650天徐變前后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，運用MIDAS軟件分析得出結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3　徐變前結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖4　3650天徐變后結(jié)構(gòu)彎矩圖

由圖3、圖4可以看出經(jīng)過十年的收縮徐變效應主梁的內(nèi)力分布規(guī)律基本一致?，F(xiàn)選取橋梁全部節(jié)點在作用前后內(nèi)力對比狀況，如圖5所示。主梁經(jīng)過3650天收縮徐變作用后，橋墩兩側(cè)主梁上的負彎矩明顯增大，用徐變后的數(shù)值減去徐變前的數(shù)值，可以得到收縮徐變對整個主梁彎矩的影響，如圖6所示。

圖5　3650 天收縮徐變前后彎矩對比

圖6　3650天收縮徐變前后彎矩差值

由圖5、圖6可以分析得出，在成橋經(jīng)過3650天收縮徐變后，橋墩兩側(cè)主梁內(nèi)力發(fā)生了極大變化，在橋墩兩側(cè)產(chǎn)生的負彎矩達到了約-140000 kN?m，徐變前后內(nèi)力最大差值為86000 kN?m，比徐變前的內(nèi)力增大了約159%。

3.2對線形的影響

在成橋階段依照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，對模型施加3650天的荷載作用，考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等敏感性參數(shù)。對比3650天徐變前后的結(jié)構(gòu)位移，運用MIDAS軟件分析得出結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖7　成橋結(jié)構(gòu)位移圖

圖8　3650天徐變后結(jié)構(gòu)位移圖

由圖7、圖8可以看出，經(jīng)過十年的收縮徐變效應主梁節(jié)點的位移變化規(guī)律基本一致?，F(xiàn)選取全橋梁節(jié)點在作用前后位移對比狀況，如圖9所示。主梁經(jīng)過十年的徐變作用后，可以看出主梁中跨合攏段豎向位移較大，橋墩附近節(jié)點位移微小。用徐變后的數(shù)值減去徐變前的數(shù)值，可得到收縮徐變對整個主梁撓度的影響，如圖10所示。

圖9　3650天收縮徐變前后位移對比

圖10　3650天收縮徐變前后位移差值

由圖9、圖10數(shù)據(jù)分析可知，在成橋經(jīng)過3650天收縮徐變后，橋墩位移沉降1 mm，主梁中跨撓度沉降49 mm，并且發(fā)現(xiàn)橋墩附近邊跨略微上翹約4 mm。

4　結(jié)論

（1）經(jīng)過3650天收縮徐變作用后，連續(xù)梁箱梁截面上的負彎矩增大，彎矩變化最大位置出現(xiàn)在懸臂梁的根部。主梁上最大應力值出現(xiàn)在橋墩附近，是成橋初期的1.59倍。

（2）經(jīng)過3650天收縮徐變作用后，橋梁中跨合攏段附近梁體的撓度變化最大，梁體其他部分出現(xiàn)不同程度下?lián)希啾瘸蓸螂A段發(fā)生了較大的變化。因此在實際的施工控制中，必須考慮收縮徐變的影響。

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The Effect of Concrete Shrinkage and Creep on Prestressed Continuous Box Girder Bridge

HAN Shuliang, WANG Lian
(Civil and Hydraulic Engineering ,Hefei University of Technology, Hefei,230009,China)

The effect that the concrete shrinkage and creep has n the internal forces and lineshape of the bridge structure can never be ignored. The mechanism is very complicated, and there are many factors with random variation, therefore, so far it is difficult to determine the accurate impactt that the concrete shrinkage and creep may have on structural performance Based on an rebuilt continuous girder bridge, this paper aims at a simulation analysis the concrete shrinkage and creep effects of pretested concrete continuous box girder bridges at completion stage and some years later by building the finite element model. The influence of concrete shrinkage and creep on internal force and lineshape is obtained after theoretical calculation, and it is hoped to provide a reference for the design and construction of similar bridges.

Concrete shrinkage and creep; continuous girder bridge; finite element analysis.

U441

A

2095-8382(2016)03-032-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160307

2015-10-12

韓樹亮（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為城市道路與橋梁工程。