收縮徐變對鋼管混凝土拱橋力學(xué)性能影響分析

凌海明

0 引言

鋼管混凝土組合構(gòu)件由于混凝土收縮徐變的作用,截面內(nèi)鋼管與混凝土之間存在應(yīng)力重分布問題[1-3],所以對于組合截面的超靜定結(jié)構(gòu),既要進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布分析外,還要進(jìn)行截面內(nèi)部的徐變應(yīng)力重分布分析,系桿拱橋內(nèi)部為超靜定結(jié)構(gòu),由于混凝土?xí)a(chǎn)生收縮徐變,而鋼管不會產(chǎn)生收縮徐變,則在同一截面內(nèi)會發(fā)生鋼管與混凝土之間的應(yīng)力重分布。

1 混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

現(xiàn)以某鋼管混凝土拱橋的設(shè)計圖為計算模型,按照設(shè)計的施工順序,對該橋進(jìn)行施工加載,同時計入混凝土的收縮與徐變的影響。

對于混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響采用平面模型來進(jìn)行計算。

在程序中對混凝土收縮量的計算是應(yīng)用以下指數(shù)函數(shù)計算混凝土任一時刻t收縮量:

其中,εs(∞)為收縮應(yīng)變終極值;p為收縮應(yīng)變增長速率。

由于平面計算模型不能考慮橫橋向各號鋼管內(nèi)混凝土不同時灌注的情況,在計算中作以下的處理:對上弦的四號鋼管內(nèi)同時灌注混凝土,且在灌注混凝土?xí)r也計入混凝土單元的剛度。

1.1 混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

為研究混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力的影響,列出不計混凝土收縮徐變與計入混凝土收縮徐變,以及成橋初期與1年～4年后等時期的各控制截面的全截面軸力與全截面彎矩,如表1,表2所示。

表1 全截面恒載軸力隨時間變化比較 kN

表2 全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

由表1,表2可知,混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)全截面軸力基本上無影響,但對全截面彎矩有較大的影響。在成橋初期,對拱腳、L/4、拱頂截面,計入混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩比不計混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩要分別大10%,小13%與大24%。

為更清楚了解混凝土收縮徐變對各控制截面內(nèi)鋼管與混凝土單元各自內(nèi)力的影響,將鋼管與混凝土所承受的內(nèi)力分別進(jìn)行分析。將不計混凝土收縮徐變與計入混凝土收縮徐變,以及成橋初期與1年～4年后等時期的各控制截面的內(nèi)力值列出,見表3～表6。

表3 鋼管恒載軸力隨時間變化比較 kN

表4 鋼管全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

表5 混凝土全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

表6 混凝土恒載軸力隨時間變化比較 kN

由表3～表6可知,混凝土收縮徐變對各控制截面鋼管與混凝土單元間的內(nèi)力重分配有很大影響。成橋初,計入混凝土收縮徐變后鋼管單元所承受的軸力要比不計混凝土收縮徐變的鋼管單元所承受的軸力大22%～28%;而混凝土單元所承受的軸力則相反,計入混凝土收縮徐變后的混凝土單元所承受的軸力要比不計混凝土收縮徐變的混凝土單元所承受的軸力小43%～78%(除拱腳的上弦桿截面外),即表明混凝土收縮徐變使鋼管與混凝土單元所承受的軸力發(fā)生了重分布,鋼管單元所承受的軸力增加,混凝土單元所承受的軸力減小。

混凝土收縮徐變對鋼管所承受的軸力影響主要在成橋以后的一年內(nèi),一年以后基本趨于穩(wěn)定;混凝土收縮徐變對混凝土單元所承受的軸力影響主要在成橋后的兩年內(nèi),兩年以后基本趨于穩(wěn)定。

混凝土收縮徐變對全截面恒載彎矩有較大的影響,成橋時,計入混凝土收縮徐變后鋼管單元的彎矩值比不計混凝土收縮徐變的彎矩值大15%～20%,對于拱腳與拱頂截面混凝土單元的彎矩值比不計混凝土收縮徐變的彎矩值分別大1%和61%,混凝土收縮徐變使鋼管單元所承受的彎矩值增大而混凝土單元所承受的彎矩值減小的趨勢。

混凝土收縮徐變對鋼管所承受的彎矩的影響主要在成橋以后的兩年內(nèi),兩年以后基本趨于穩(wěn)定;混凝土收縮徐變對混凝土所承受彎矩影響主要在成橋后的四年內(nèi),四年以后基本趨于穩(wěn)定。

1.2 混凝土收縮徐變對截面應(yīng)力的影響

混凝土收縮徐變對各控制截面鋼與混凝土之間內(nèi)力重分布有較大的影響,計入混凝土收縮徐變后,對各控制截面的鋼管與混凝土的應(yīng)力也有較大的影響。

由表7可知,計入混凝土收縮徐變對鋼管的應(yīng)力有較大的影響。計入混凝土收縮徐變后,在成橋初各控制截面鋼管的應(yīng)力增加22%～30%,一年以后,鋼管的應(yīng)力增加6%左右,以后每年又增加2%左右,計入混凝土收縮徐變后,鋼管應(yīng)力增加主要集中在成橋后的一年內(nèi),一年以后基本趨于穩(wěn)定。

表7 結(jié)構(gòu)各控制截面的鋼管應(yīng)力隨時間變化值 MPa

表8 結(jié)構(gòu)各控制截面的混凝土應(yīng)力隨時間變化值 MPa

由表8可知,計入混凝土收縮徐變后,對于各控制截面成橋初的應(yīng)力比不計混凝土收縮徐變要減少33%以上,拱頂截面下弦桿的混凝土下緣應(yīng)力減少131%,其他截面的應(yīng)力均減少33%～97%。而拱腳截面上弦桿上緣處的混凝土應(yīng)力在計入混凝土收縮徐變的影響后,由原來的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。在成橋后的兩年內(nèi),混凝土的應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。

2 結(jié)語

1)混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)體系的全截面軸力基本上無影響,但對結(jié)構(gòu)的全截面彎矩有較大的影響。

在成橋初期,對拱腳、L/4及拱頂截面,計入混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩比不計混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩要分別大10%,小13%與大24%。

2)對于各控制截面,混凝土收縮徐變使鋼管與混凝土間的內(nèi)力與應(yīng)力發(fā)生重分布。

成橋初,混凝土收縮徐變引起鋼管所承受的軸力與全截面彎矩增加 15%～28%,引起混凝土所承受軸力減小43%～78%,引起拱腳與拱頂截面混凝土所承受的全截面彎矩增大1%和61%。混凝土收縮徐變引起鋼管的應(yīng)力成橋后4年內(nèi)增加了10%,引起混凝土的應(yīng)力減小18%～44%左右。

[1]蔡紹懷.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑科學(xué)研究院,1992.

[2]李國平,張哲元.鋼—混凝土組合橋混凝土收縮徐變分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,1999(1):34-35.

[3]謝肖禮.鋼管混凝土拱橋收縮徐變對任意截面應(yīng)力重分布的影響[D].南寧:廣西大學(xué)博士論文,2002:6.

[4]王成斌.橋梁加固新老混凝土收縮差分析研究[J].山西建筑,2009,35(10):54-55.