混凝土收縮徐變對(duì)系桿拱橋的影響分析

吳圣賢

混凝土收縮徐變對(duì)系桿拱橋的影響分析

吳圣賢

（合肥工業(yè)大學(xué)，土木與水利工程學(xué)院，合肥市，230009）

收縮徐變作為混凝土結(jié)構(gòu)固有特性,隨著時(shí)間地延伸，它會(huì)不斷地變化[1]。尤其針對(duì)一些比較敏感的混凝土結(jié)構(gòu)，如懸臂端、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁等,其收縮徐變影響更為明顯。本文以一工程實(shí)例為背景，利用有限元軟件Midas進(jìn)行橋梁模擬，通過(guò)對(duì)不同收縮徐變情況的探討，得出混凝土收縮徐變對(duì)系桿拱橋的影響。

收縮；徐變；Midas；系桿拱橋

0　引 言

在混凝土凝結(jié)的過(guò)程中，其體積受到物理、化學(xué)的作用而發(fā)生減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮[2]。在長(zhǎng)期的荷載作用下，結(jié)構(gòu)或材料承受的應(yīng)力不變，混凝土的應(yīng)變將隨著時(shí)間的增加而增加的現(xiàn)象稱為混凝土徐變[2]。隨著公路交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的橋梁需要修建，所以混凝土的收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響越來(lái)越明顯。

鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋的加勁梁及拱肋一般體積較大，隨時(shí)間而變化的收縮徐變受到內(nèi)部配筋的約束將導(dǎo)致內(nèi)力的重分布[2]。并且，系桿拱橋的吊桿是錨固在端部的橫梁和拱肋上的，主拱圈、吊桿和橫梁組成一個(gè)相互連接的體系，因此混凝土的收縮徐變必然引起吊桿的內(nèi)力及主拱圈撓度的變化。所以，從鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的安全性和線形穩(wěn)定性的角度出發(fā)，必須把混凝土收縮徐變對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響加以考慮。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在施工、使用過(guò)程中的安全性、耐久性有著科學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義。

1　收縮徐變?cè)?/h2>

1.1收縮原理及影響參數(shù)

混凝土的收縮一般指在空氣中收縮。一般來(lái)說(shuō),混凝土的收縮機(jī)理主要有硬化收縮、失水收縮、碳化收縮三種[4]。隨著時(shí)間的推移，混凝土的收縮產(chǎn)生的變形在增加，在混凝土化學(xué)反應(yīng)初期，其收縮產(chǎn)生的變形發(fā)展最快；一般情況下，兩周內(nèi)可完成全部收縮的1/4；一個(gè)月可完成全部收縮的1/2；三個(gè)月后，其變形增長(zhǎng)的速度變得緩慢；兩年以后基本趨于穩(wěn)定，其收縮值最終約為(2—6)×10-4[3]。

針對(duì)混凝土收縮的原因，首先是混凝土在制作過(guò)程中，其配合比和組成是影響混凝土收縮的重要原因。水泥用量和水灰比越大，混凝土的收縮就越大；再次是在前期的水泥凝固結(jié)硬過(guò)程中，水泥石在水化反應(yīng)產(chǎn)生的體積變化；其次是在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，自由水分在混凝土內(nèi)部的蒸發(fā)而引起的結(jié)構(gòu)干縮，干燥缺水也是導(dǎo)致收縮變大的重要因素。因此，混凝土構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)，應(yīng)保持在溫度與濕度適宜、水分充足的環(huán)境中進(jìn)行。在高溫濕養(yǎng)（蒸汽養(yǎng)護(hù)）環(huán)境中，混凝土水化作用得到加快，混凝土中的自由水分明顯減少，所以混凝土的收縮就變小了；相反，如果在溫度、濕度不適宜的環(huán)境中，溫度越高，相對(duì)濕度越低，其收縮變形就越大。

1.2徐變?cè)砑坝绊憛?shù)

混凝土徐變的主要原因，是由于混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下，混凝土中的凝膠體水分的逐漸壓出導(dǎo)致水泥石的穩(wěn)定性遭到破壞，引起了水泥石之間的粘性流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)中的微細(xì)空隙因結(jié)構(gòu)的蠕動(dòng)而逐漸閉合，從而結(jié)晶體在結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸滑落，結(jié)構(gòu)中微小的裂縫逐漸產(chǎn)生[5]。

混凝土徐變的影響因素有很多，其主要的因素有以下幾個(gè)方面：

1) 在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土產(chǎn)生的壓應(yīng)力大小。當(dāng)壓應(yīng)力≤0.5 fc時(shí)，徐變與應(yīng)力成正比關(guān)系，稱為線性徐變；當(dāng)壓應(yīng)力介于(0.5-0.8) fc之間時(shí)，徐變與應(yīng)力成非線性關(guān)系，增長(zhǎng)較應(yīng)力的增長(zhǎng)快；當(dāng)壓應(yīng)力＞0.8 fc時(shí)，容易造成結(jié)構(gòu)的徐變破壞，徐變往往是不收斂的，是設(shè)計(jì)中所不允許的。

2) 荷載添加時(shí)，混凝土的齡期?；炷猎诩虞d過(guò)程中，所具有的的齡期越短，則徐變結(jié)果越大。

3) 混凝土制作時(shí)的組成和配比?；炷恋男熳兣c材料的配比有關(guān)；中集料的體積比越小，徐變?cè)叫?；水灰比越小，徐變也與越小，且在常溫的情況下，徐變?cè)滤冶冉凭€性關(guān)系。

4) 在養(yǎng)護(hù)和使用過(guò)程中環(huán)境的溫度及濕度?；炷猎陴B(yǎng)護(hù)過(guò)程中，溫度越高，濕度越大，水泥的水化作用就越徹底，造成的徐變就越??；反之，則徐變就越大；因此，在混凝土養(yǎng)護(hù)期間，應(yīng)避免在高溫干燥的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3收縮徐變計(jì)算公式

在當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外常使用的混凝土收縮徐變模式和計(jì)算方法主要有：CEB—FIP模式，BP—2模式，ACI—209 模式以及F?Tells的解析法等[6-9]。在以上的幾種計(jì)算模式中，CEB一FIP模式是在1978年就被國(guó)際公認(rèn)（歐洲混凝土協(xié)會(huì)(CEB)和國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(IFP)）的，所以為我國(guó)交通部門橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。針對(duì)CEB一FIP計(jì)算模式，其計(jì)算公式為：

混凝土徐變系數(shù)為：

徐變隨應(yīng)力持續(xù)時(shí)間的變化系數(shù)為：

式中Hβ 取決于相對(duì)濕度和構(gòu)件尺寸，按照式(7)計(jì)算：

在未加荷載的情況下，素混凝土的平均收縮造成的應(yīng)變計(jì)算公式為：

在式(8)中，10-6取決于環(huán)境的相對(duì)濕度RH：

在以上各式中：

t(ts)：混凝土的齡期和混凝土開始收縮的齡期；

fc：混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度（Mpa）；

Ac：構(gòu)件的橫截面面積()；

u：構(gòu)件與與大氣接觸的截面周界長(zhǎng)度(mm)；

2　工程背景

某系桿拱橋?yàn)橛?jì)算跨徑是66 m的下承式鋼筋混凝土系桿拱橋，計(jì)算矢高是13.2 m，矢跨比為1/5。全橋共設(shè)2道縱梁，17道橫梁。其中縱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)體長(zhǎng)方形截面，高2.4 m、寬1.8 m；橫梁分為端橫梁與中橫梁；端橫梁采用高2.14 m，寬2.2 m，厚度0.45 m的預(yù)應(yīng)力混凝土長(zhǎng)方形空心截面；中橫梁采用高1.5 m，寬0.6 m的預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)體長(zhǎng)方形截面。橋面結(jié)構(gòu)采用縱橫梁體系，上部鋪上整體橋面板。對(duì)該橋利用有限元程序Midas進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模及分析。分別建立不同的收縮徐變工況，得出不同工況下的分析結(jié)果。

橋梁采用Midas進(jìn)行建模，根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 ，全橋共建立節(jié)點(diǎn)283個(gè)，單元330個(gè)。其中，橫梁、縱梁、主拱圈采用的是梁?jiǎn)卧?；吊桿采用的是只受拉桿單元。所建的有限元模型如圖1所示。

圖1　橋梁有限元模型

3 混凝土收縮徐變對(duì)系桿拱橋的影響

系桿拱橋在建模分析過(guò)程中，分別建立了兩種工況進(jìn)行研究。第一種是橋梁結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程中，添加不同的加載齡期給橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響；第二種是橋梁結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程中，設(shè)置不同的相對(duì)濕度給橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響。

3.1加載齡期不同的影響分析

加載齡期不同是指在系桿拱橋在模型建立完成后，再分別建立3天、7天、一個(gè)月、半年、一年不同的加載齡期。根據(jù)Midas有限元計(jì)算分析，得出系桿拱橋在各個(gè)加載齡期下主拱圈線型變化及吊桿張拉力的變化。

1) 主拱圈線型變化

成橋完成后，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后加載齡期為3天、7天、一個(gè)月、半年、一年下的影響進(jìn)行對(duì)比，得出主拱圈線型的變化，見圖2所示。

2) 吊桿張拉力變化

成橋完成后，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后加載齡期為3天、7天、一個(gè)月、半年、一年下的影響進(jìn)行對(duì)比，得出吊桿張拉力的變化，見圖3所示。

3.2相對(duì)濕度不同的影響分析

相對(duì)濕度不同是指在系桿拱橋在模型建立過(guò)程中，分別定義混凝土年平均相對(duì)濕度為40%、60%、80%。根據(jù)Midas有限元計(jì)算分析，得出系桿拱橋在各個(gè)相對(duì)濕度下主拱圈線型變化及吊桿張拉力的變化。

1) 主拱圈線型變化

建模過(guò)程中，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后相對(duì)濕度為40%、60%、80%下的影響進(jìn)行對(duì)比，得出主拱圈線型的變化，見圖4所示。

2) 吊桿張拉力變化

建模過(guò)程中，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后相對(duì)濕度為40%、60%、80%下的影響進(jìn)行對(duì)比，得出吊桿張拉力的變化，見圖5所示。

圖2　不同加載齡期下主拱圈撓度增量（正值表示向上）

圖3　不同加載齡期下吊桿張拉力的增量

圖4　主拱圈線型變化

圖5　不同濕度下吊桿張拉力的增量

4　結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）在混凝土收縮徐變的情況下，隨著加載齡期地增長(zhǎng)，靠近支座處的吊桿張拉力增量變化最大，其中加載齡期為一年時(shí)，支座處吊桿張拉力增量值為3.6 kN；隨著加載齡期地增長(zhǎng)，跨中處的主拱圈撓度增量變化最多，其中加載齡期為一年時(shí)，主拱圈撓度增量為1.1 cm。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)考慮到荷載加載時(shí)間，不能過(guò)早的把荷載加載到新澆筑的結(jié)構(gòu)上。

2）在混凝土收縮徐變的情況下，隨著相對(duì)濕度地減小，吊桿張拉力在增大，其中靠近支座處的吊桿張拉力增量變化最大，當(dāng)相對(duì)濕度為40%時(shí)，吊桿張拉力增量為4.4 kN；隨著相對(duì)濕度地減小，跨中主拱圈的撓度在變大，其中相對(duì)濕度為40%時(shí)，主拱圈撓度增量為1.5 cm。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)物環(huán)境周圍的相對(duì)濕度，減少混凝土的收縮徐變量。

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Analysis of the Effect of Shrinkage and Creep of Concrete on Arch- bridge

WU Shengxian
(Civil engineering school,Hefei University of Technology,Hefei,230009,China)

Shrinkage and creep are the inherent properties of concrete, and it will change continuously,especially for some of the more sensitive concrete structure, such as cantilever end,prestressed concrete continuous beam and so on , its effect is more obvious. This thesis takes an engineering example as the background, building bridge model with the finite element software Midas, and exploring different conditions of shrinkage and creep , getting the influenceof concrete shrinkage and creep on the tied arch bridge.

Shrinkage;Creep;Midas;Tied Arch Bridge.

TU37

A

2095-8382(2016)03-023-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160305

2015-11-27

吳圣賢（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程。