橋面板混凝土理論厚度對(duì)組合梁橋收縮徐變的影響分析

吳 俁,鄧青兒,于 洋

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究院,上海市 200092)

橋面板混凝土理論厚度對(duì)組合梁橋收縮徐變的影響分析

吳 俁,鄧青兒,于 洋

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究院,上海市 200092)

以《公預(yù)規(guī)》為依據(jù),討論了組合梁橋中橋面板不同理論厚度計(jì)算方法得到的收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)間的差別,提出了采用隨時(shí)間變化理論厚度計(jì)算收縮徐變參數(shù)的方法。接著,以一座2×75 m連續(xù)組合梁橋?yàn)楸尘肮こ?建立有限元模型,針對(duì)不同橋面板混凝土理論厚度計(jì)算了結(jié)構(gòu)收縮徐變引起的變形和應(yīng)力。結(jié)論表明目前普遍應(yīng)用的以施工鋪裝前截面計(jì)算橋面板混凝土理論厚度的方法得到的收縮徐變效應(yīng)普遍偏大,但組合梁鋼結(jié)構(gòu)的部分計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

組合梁;理論厚度;收縮;徐變

0 引言

式中:Ac——構(gòu)件截面面積;

u——構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度。

雖然我國(guó)現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 (JGT D62-2004)》(以下簡(jiǎn)稱《公預(yù)規(guī)》)給出了明確的公式,但對(duì)組合梁橋來(lái)講,參數(shù)“u:構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度”一項(xiàng)定義不夠明確,目前,“u”的計(jì)算方法各有不同,主要體現(xiàn)在以下兩方面:斷面上,鋼箱梁內(nèi)部一般在施工結(jié)束后會(huì)密封,混凝土周長(zhǎng)是否與外部取相同權(quán)重計(jì)算;過(guò)程上,鋪裝施工后覆蓋了混凝土橋面板表面,這一部分是否仍計(jì)入與大氣接觸長(zhǎng)度。

本文為了解該參數(shù)不同取值對(duì)設(shè)計(jì)的影響,

組合結(jié)構(gòu)橋梁斷面由鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板構(gòu)成。橋面板混凝土收縮徐變是影響組合梁橋受力性能的重要因素之一?；炷磷鳛橐环N復(fù)合多相的人工土建筑材料,其收縮徐變性能的影響因素眾多?；诨炷潦湛s徐變的物理機(jī)理,普遍認(rèn)為混凝土收縮徐變特性是由混凝土原材料及配合比、構(gòu)件的尺寸、環(huán)境、相對(duì)濕度和溫度等因素所共同決定的。凡是收縮值大的混凝土,其徐變值一般也大。

構(gòu)件理論厚度在有些參考資料中又將其稱為有效厚度,是反映構(gòu)件尺寸、衡量構(gòu)件與大氣接觸情況的一個(gè)參數(shù),其計(jì)算公式如下:以一座2×75 m連續(xù)組合梁橋?yàn)楸尘肮こ?采用不同方法計(jì)算橋面板混凝土理論厚度并進(jìn)行對(duì)比分析,了解理論厚度的取值對(duì)組合梁橋收縮徐變的影響。

2×75 m連續(xù)組合梁橋的基本情況如下:箱梁采用槽形鋼梁+現(xiàn)澆混凝土橋面板結(jié)構(gòu)。箱梁寬8 m,兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度各7.025 m;橋面板采用現(xiàn)澆C50混凝土,寬度22.05 m,見(jiàn)圖1所示。

1 參數(shù)選取

根據(jù)目前計(jì)算理論厚度常見(jiàn)的幾種觀點(diǎn),本文考慮以下三種算法,文中所選取的背景工程對(duì)應(yīng)的橋面板混凝土理論厚度如表1所列。

本文依照《公預(yù)規(guī)》上提出的混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)計(jì)算公式,分析不同理論厚度值對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力的影響程度。

2 橋面板混凝土理論厚度對(duì)收縮應(yīng)變、徐變系數(shù)的影響分析

圖2、圖3展示了不同理論厚度的混凝土徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系。

由圖2、圖3可知,構(gòu)件理論厚度對(duì)收縮徐變的影響都是時(shí)間的函數(shù),初期影響較大,之后逐漸減小。且其對(duì)收縮應(yīng)變的影響大于對(duì)徐變系數(shù)的影響。

考慮到施工鋪裝前后構(gòu)件的理論厚度發(fā)生了變化,徐變系數(shù)的終極值和隨時(shí)間的函數(shù)都發(fā)生了變化,可考慮根據(jù)施工過(guò)程改變混凝土徐變系數(shù)中理論厚度的值,獲得較為準(zhǔn)確的徐變系數(shù)隨時(shí)間的函數(shù)。

圖1 2×75 m連續(xù)組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

表1 三種計(jì)算橋面板混凝土理論厚度的方法及其數(shù)值一覽表

圖2 不同理論厚度的混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系曲線圖

圖3 不同理論厚度的混凝土收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系曲線圖

《公預(yù)規(guī)》中混凝土徐變系數(shù)是加載齡期tO、環(huán)境年平均相對(duì)濕度RH、理論厚度h,以及混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cm的函數(shù),可表示為:

式中:φ(t，t0)——加載齡期為t0,計(jì)算考慮齡期為t時(shí)的混凝土徐變系數(shù);

φ0——名義徐變系數(shù);

βc——加載后徐變隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)。

設(shè)鋪裝施工前混凝土橋面板理論厚度為h1,施工后為h2,施工鋪裝時(shí)混凝土齡期為tp(tp＞t0),那么在施工鋪裝前,徐變系數(shù)計(jì)算時(shí)取理論厚度為h1,施工鋪裝后,徐變系數(shù)按照理論厚度為h2的徐變系數(shù)曲線發(fā)展,最終終極值介于理論厚度為h1和h2的值之間,即:

h1=290 mm,h2=785 mm,tp=30 d、45 d、60 d、75 d的徐變系數(shù)與h=290 mm和h=785 mm的徐變系數(shù),如圖4所示和表2所列。

圖4 理論厚度隨時(shí)間變化的混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系曲線圖

表2 理論厚度隨時(shí)間變化的混凝土10 a徐變系數(shù)一覽表

由圖4及表2可知,考慮橋面板混凝土理論厚度變化、分段計(jì)算徐變系數(shù)對(duì)徐變的發(fā)展和終極值計(jì)算都有一定影響?；炷翝仓弯佈b施工間的間隔越長(zhǎng),混凝土徐變系數(shù)越接近于h=hl的徐變系數(shù),反之,則接近于h=h2的徐變系數(shù)。從圖4中可明顯地看出,徐變曲線初期增長(zhǎng)極其迅速,大約100 d后增速逐漸減緩,因此,施工鋪裝時(shí)混凝土已發(fā)生了相當(dāng)大的徐變,造成理論厚度發(fā)生改變的徐變曲線更接近h=hl的徐變曲線。從表2還可以看出,tp=75 d時(shí),徐變系數(shù)終極值與h=hl的終極值相差 0.8%,即使 tp=30 d,也僅相差3.3%,說(shuō)明tp變化對(duì)徐變終極值影響很小,可忽略不計(jì)。

收縮應(yīng)變中考慮理論厚度隨時(shí)間變化的方法與徐變相同,這里不再進(jìn)行推導(dǎo),直接列出結(jié)果:

h1=290 mm,h2=785 mm,tp=30 d、45 d、60 d、75 d的收縮應(yīng)變與h=290 mm和h=785 mm的收縮應(yīng)變?nèi)鐖D5所示和表3所列。

圖5 理論厚度隨時(shí)間變化的混凝土收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系曲線圖

表3 理論厚度隨時(shí)間變化的混凝土10 a收縮應(yīng)變一覽表

由圖5和表3可知,考慮混凝土理論厚度變化、分段計(jì)算收縮應(yīng)變對(duì)收縮的發(fā)展和終極值計(jì)算影響較大。混凝土澆筑和鋪裝施工間的間隔越長(zhǎng),混凝土收縮應(yīng)變?cè)浇咏趆=h1的收縮應(yīng)變,反之,則接近于h=h2的收縮應(yīng)變。從圖5中可明顯地看到,收縮應(yīng)變與徐變系數(shù)的發(fā)展規(guī)律不同,收縮曲線前期比徐變曲線平緩,前期較長(zhǎng)一段時(shí)間一直保持著較快的增長(zhǎng),大約400 d后增速才明顯降低,前期幾十天的收縮值占終極值的比例不是很大,因此,理論厚度改變后,收縮應(yīng)變發(fā)展相對(duì)更接近于h=h2的收縮應(yīng)變曲線,但與h=h2的收縮應(yīng)變曲線仍相差20%左右。從表3還可以看出, tp=75 d時(shí),徐變系數(shù)終極值與h=h1的終極值相差25.1%,即使tp=30 d,也相差15.2%,說(shuō)明tp變化對(duì)收縮終極值的影響較大,其影響不可忽略。

以往對(duì)組合梁橋的徐變分析,混凝土橋面板的理論厚度一般按照鋪裝施工前的截面計(jì)算,即取h=h1。由以上分析可知,該方法對(duì)徐變系數(shù)值的計(jì)算偏大,但總體偏差較小,一般偏于安全;對(duì)收縮應(yīng)變值的計(jì)算結(jié)果也偏于安全,但偏差較大。

3 橋面板混凝土理論厚度對(duì)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的影響分析

3.1 對(duì)變形的影響分析

從之前的分析來(lái)看,橋面板混凝土理論厚度對(duì)于收縮應(yīng)變值的影響很大,對(duì)徐變系數(shù)值的影響小一些。為進(jìn)一步分析其對(duì)結(jié)構(gòu)最終變形和受力的影響,建立背景工程的MIDAS模型,考慮施工過(guò)程中橋面板混凝土理論厚度變化的影響,在施工過(guò)程中改變混凝土橋面板的理論厚度,對(duì)比分析其對(duì)主梁收縮徐變位移的影響。按背景工程實(shí)際施工流程,取:h1=290 mm,h2=785 mm,tp=70 d。圖6和圖7為不同橋面板混凝土理論厚度取值和考慮變理論厚度計(jì)算的主梁跨中徐變引起的位移和收縮引起的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律,表4列出了成橋10 a的值。

圖6 不同理論厚度情況下主梁徐變位移隨時(shí)間變化曲線圖

圖7 不同理論厚度情況下主梁收縮位移隨時(shí)間變化曲線圖

表4 考慮理論厚度變化的成橋10 a收縮徐變引起的位移對(duì)比一覽表

考慮理論厚度變化的位移計(jì)算結(jié)果與之前分析一致,考慮理論厚度變化后徐變位移有所變化,但幅度不大,接近于h=290 mm的徐變位移(相差約2.92%)。收縮變化明顯,其10 a收縮位移的計(jì)算結(jié)果在h=290 mm和h=785 mm的結(jié)果之間,且相對(duì)接近于h=785 mm的值。

3.2 對(duì)鋼梁應(yīng)力的影響分析

為與收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力形成數(shù)量概念上的對(duì)比,這里先列出成橋10 a鋼梁在永久荷載作用下的應(yīng)力(活載等其它可變荷載影響較小,暫不考慮),見(jiàn)圖8、圖9所示。

圖8 成橋10 a鋼梁上緣應(yīng)力曲線圖

圖9 成橋10 a鋼梁下緣應(yīng)力曲線圖

圖10～圖13為主梁橋面板混凝土按不同理論厚度計(jì)算時(shí),成橋10 a徐變和收縮引起的鋼梁上下緣應(yīng)力,受拉為正。其中,變理論厚度均指按背景工程實(shí)際施工流程,取h1=290 mm,h2=785 mm, tp=70 d計(jì)算的值。

圖10 不同理論厚度成橋10 a鋼梁上緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖11 不同理論厚度成橋10 a鋼梁下緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖12 不同理論厚度成橋十年鋼梁上緣收縮應(yīng)力曲線圖

圖13 不同理論厚度成橋十年鋼梁下緣收縮應(yīng)力曲線圖

從圖10～圖13中可以看出,采用常理論厚度計(jì)算,取h=785 mm與取h=290 mm相比,鋼梁上緣徐變應(yīng)力最大變化量位于中支點(diǎn),拉應(yīng)力減小約5.6 MPa,下緣徐變應(yīng)力最大變化量在跨中附近,壓應(yīng)力增大約4.9 MPa;上緣收縮應(yīng)力的最大變化值發(fā)生在邊支點(diǎn),壓應(yīng)力減小18 MPa,下緣收縮應(yīng)力的最大變化值發(fā)生在距中支點(diǎn)約15 m處,壓應(yīng)力減小20.9 MPa。由數(shù)據(jù)可以看出,采用不同理論厚度計(jì)算收縮徐變得到的鋼梁應(yīng)力差別很大,特別是收縮應(yīng)力,相差超過(guò)20 MPa。有必要按照結(jié)構(gòu)理論厚度的實(shí)際變化情況分段計(jì)算徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變。從這些圖中,還可容易看出,針對(duì)該橋,按照h=290 mm計(jì)算的鋼梁收縮徐變應(yīng)力偏大,與采用變理論厚度計(jì)算得到的鋼梁應(yīng)力相比,最多偏大16.7 MPa,如表5所列。

對(duì)比采用不同理論厚度的收縮徐變應(yīng)力結(jié)果和成橋10 a鋼梁應(yīng)力圖(圖8、圖9)可以看出,跨中略偏邊支點(diǎn)位置的鋼梁下緣為全橋拉應(yīng)力最大的位置,拉應(yīng)力約115 MPa,而該點(diǎn)收縮徐變應(yīng)力均為負(fù),若采用變理論厚度計(jì)算,該點(diǎn)成橋10 a拉應(yīng)力將增大15 MPa左右。顯然,按照h=290 mm計(jì)算的鋼梁收縮徐變應(yīng)力雖然大部分位置偏大,但局部仍是偏于不安全的。

表5 考慮理論厚度變化的鋼梁由橋面板混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力對(duì)比一覽表

3.3 對(duì)橋面板混凝土應(yīng)力的影響分析

為與收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力形成數(shù)量概念上的對(duì)比,這里先列出成橋10 a橋面板在永久荷載作用下的應(yīng)力(活載等其它可變荷載影響較小,暫不考慮),見(jiàn)圖14和圖15所示。

圖14 成橋10 a橋面板上緣應(yīng)力曲線圖

圖15 成橋10 a橋面板下緣應(yīng)力曲線圖

圖16～圖19為主梁橋面板按不同理論厚度計(jì)算時(shí),成橋10 a徐變和收縮引起的混凝土橋面板上下緣應(yīng)力,受拉為正。

圖16 不同理論厚度成橋10 a橋面板上緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖17 不同理論厚度成橋10 a橋面板下緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖18 不同理論厚度成橋10 a橋面板上緣收縮應(yīng)力曲線圖

圖19 不同理論厚度成橋10 a橋面板下緣收縮應(yīng)力曲線圖

從圖16～圖19中可以看出,采用常理論厚度計(jì)算,取h=785 mm與取h=290 mm相比,橋面板上緣徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大增大了0.62 MPa,位置在跨中附近;下緣徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力在兩跨跨中之間的部分均增大了約0.60 MPa;上下緣收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力均有明顯減小,其中上緣減小1.6 MPa,下緣減小1.3 MPa,均位于中支點(diǎn)附近。即理論厚度增加造成徐變應(yīng)力增大,收縮應(yīng)力減小。收縮徐變綜合起來(lái)考慮,上緣收縮徐變拉應(yīng)力約降低了0.2～0.9 MPa,下緣降低0.4～0.7 MPa,總體來(lái)說(shuō),隨著理論厚度增加,收縮徐變引起的拉應(yīng)力減少,橋面板受力趨于有利。由數(shù)據(jù)可知,理論厚度的取值對(duì)收縮徐變應(yīng)力影響很大,為準(zhǔn)確分析收縮徐變對(duì)組合梁橋混凝土橋面板的影響,有必要根據(jù)施工實(shí)際情況變化橋面板理論厚度進(jìn)行計(jì)算。

從這些圖中,還可容易地看出,針對(duì)該橋,按照h=290 mm計(jì)算的混凝土收縮徐變應(yīng)力偏大,與采用變理論厚度計(jì)算得到的橋面板應(yīng)力相比,墩頂上緣拉應(yīng)力相差最多,約0.9 MPa,如表6所列。

表6 考慮理論厚度變化的混凝土橋面板由收縮徐變引起的應(yīng)力對(duì)比一覽表

結(jié)合成橋10 a混凝土橋面板應(yīng)力(見(jiàn)圖14、圖15)可知,橋面板跨中壓應(yīng)力約5～6 MPa,較小,墩頂拉應(yīng)力約2 MPa,需通過(guò)配筋控制裂縫寬度。按照h=290 mm計(jì)算的收縮徐變拉應(yīng)力偏大,按其結(jié)果設(shè)計(jì)是偏于安全的。

由以上分析可知,理論厚度的取值對(duì)結(jié)構(gòu)變形和鋼、混凝土的應(yīng)力都有很大影響,采用h=290 mm與采用變化的理論厚度計(jì)算結(jié)果相比,普遍高估了收縮徐變引起的構(gòu)件應(yīng)力。對(duì)鋼梁來(lái)說(shuō),收縮徐變應(yīng)力偏大約15 MPa,由于在局部,收縮徐變對(duì)鋼梁受力是有利的,計(jì)算結(jié)果偏大仍偏于不安全。對(duì)混凝土來(lái)說(shuō),收縮徐變拉應(yīng)力偏大將近1 MPa,在中支點(diǎn),計(jì)算的混凝土拉應(yīng)力偏大,結(jié)果偏安全;在跨中,計(jì)算的混凝土壓應(yīng)力偏小,可能偏于不安全。

4 結(jié)論

組合梁橋面板理論厚度取值對(duì)收縮徐變的影響很大,且是時(shí)間的函數(shù),初期影響較大,之后逐漸減小。對(duì)于施工過(guò)程中理論厚度發(fā)生變化的組合梁,目前多按照施工鋪裝前的截面計(jì)算理論厚度,一般來(lái)說(shuō)其計(jì)算的收縮徐變效應(yīng)偏大,對(duì)混凝土一般是偏安全的,但對(duì)鋼梁可能偏于不安全。對(duì)于該橋,跨中近邊支點(diǎn)處下緣拉應(yīng)力低估約15 MPa左右,相對(duì)成橋時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平而言,這種影響不可忽略。

U448.21+6、U441

A

1009-7716(2015)03-0147-05

2014-11-24

吳俁(1987-),男,陜西安康人,碩士,助理工程師,從事鋼和組合結(jié)構(gòu)橋梁工程設(shè)計(jì)工作。