不同規(guī)范下鋼管混凝土徐變效應(yīng)的對比分析

劉少天，徐　岳，朱誼彪

(長安大學 公路學院，陜西 西安　710064)

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不同規(guī)范下鋼管混凝土徐變效應(yīng)的對比分析

劉少天，徐岳，朱誼彪

(長安大學 公路學院，陜西 西安710064)

JTG D65-2015首次提出鋼管內(nèi)混凝土的徐變模式，通過與常用的ACI 209R-92和CEB-FIP(1990)徐變模式進行比較，運用有限元軟件計算了某鋼管混凝土拱橋在這3種徐變模式下的徐變效應(yīng)，對拱肋的應(yīng)力和變形進行了對比分析。分析表明，JTG D65-2015的計算結(jié)果與ACI 209R-92和CEB-FIP(1990)相比，拱肋的應(yīng)力和撓度都降低了30%左右。結(jié)果可供同類工程參考。

；鋼管混凝土拱橋；徐變效應(yīng)；JTG D65-2015；ACI 209R-92；CEB-FIP(1990)

0　引言

鋼管混凝土拱橋具有自重輕、強度高、延性好、施工便捷、橋型美觀、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代高性能混凝土的不斷發(fā)展和現(xiàn)代混凝土泵送技術(shù)的廣泛應(yīng)用，鋼管混凝土因所具有的抗壓承載力高、鋼管混凝土拱肋可兼做施工骨架的突出優(yōu)點，正在被越來越多地應(yīng)用到拱橋中。

大量工程實踐表明，管內(nèi)核心混凝土處于密閉養(yǎng)護狀態(tài)，核心混凝土的收縮徐變特性與普通混凝土有著較大的不同。目前的研究結(jié)果表明，管內(nèi)混凝土的收縮、徐變量均小于普通混凝土，但不同研究成果推薦的徐變系數(shù)計算方法不盡相同[1]。

目前國內(nèi)外不同的混凝土徐變模式，考慮的因素不盡相同，總體歸納起來，這些模式的數(shù)學表達式大致分為3種：一種是將徐變系數(shù)表達為一系列系數(shù)的乘積，每一系數(shù)表示一個影響徐變的重要因素，采用乘積模型的有英國規(guī)范ACI 209R(1992)[2]、CEB-FIP(1990)[3]，JTG D62-2004[4]也采用了類似乘積的形式；另一種是將徐變系數(shù)表達為若干個性質(zhì)互異的分項系數(shù)之和，采用和模式的有CEB-FIP(1978)和我國的JTJ 023-85規(guī)范；還有一種則是采用上述兩種的混合形式，如RILEM B3(1995)模型和BP模型。

JTG D65-2015[5]規(guī)范第一次提出了鋼管混凝土的徐變系數(shù)計算公式。為了分析該計算模式與其他混凝土徐變系數(shù)計算模式的區(qū)別，本文選取了ACI 209R(1992)、CEB-FIP(1990)和JTG D65-2015的徐變模式進行實例工程徐變效應(yīng)的計算。

1　徐變模式

1.1ACI 209R-92徐變模式

ACI 209R-92模型從混凝土材料對徐變的影響出發(fā)，考慮了混凝土的坍落度、養(yǎng)護條件、細骨料含量和拌合物空氣含量等多方面因素，采用連乘的形式，公式直接體現(xiàn)徐變的影響參數(shù)，簡單明了，并且可以區(qū)分計算普通混凝土與泵送混凝土的徐變。

1.1.1計算公式

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中管內(nèi)混凝土的徐變模式采用雙曲線函數(shù)，考慮影響混凝土徐變終值系數(shù)的各種因素，同時不區(qū)分彈性變形和塑性變形，混凝土的徐變系數(shù)φ(t，τ)可按下列規(guī)定計算[6]：

(1)

式中：t為混凝土徐變系數(shù)計算時間；τ為混凝土加載齡期；φ(∞，τ)為徐變系數(shù)終值，φ(∞，τ)=2.35·γla·γλ·γh·γVS·γS·γψ·γa，其中標準狀態(tài)下的徐變系數(shù)終值為2.35，γla……γa為偏離標準狀態(tài)時的校正系數(shù)。

1.1.2徐變影響參數(shù)

C40微膨脹混凝土坍落度設(shè)計值為200 mm，配合比為：水泥∶水∶黃砂∶碎石∶減水劑∶膨脹劑=442∶194∶743∶954∶3.928∶49.1。由混凝土配合比計算得到混凝土砂率44%，混凝土水泥用量 442 kg/m3。在Midas civil中輸入相應(yīng)參數(shù)得到的徐變系數(shù)曲線如圖1所示。

圖1　ACI 209R-92徐變系數(shù)曲線

1.2CEB-FIP(1990)徐變模式

CEB-FIP(1990)模型采用一個雙曲冪函數(shù)來描述徐變系數(shù)隨時間的變化規(guī)律，其用一個名義徐變系數(shù)來表示環(huán)境相對濕度、構(gòu)件理論厚度、混凝土強度、加載齡期等參數(shù)變化對徐變系數(shù)的影響，但是該模型不能體現(xiàn)混凝土某些工作性能改變對徐變的影響。

1.2.1計算公式

CEB-FIP(1990)模式?jīng)]有具體區(qū)分各類徐變，公式表達采用連乘的形式，將徐變系數(shù)隨時間的變化規(guī)律擬合為雙曲冪函數(shù)，通過3個修正系數(shù)與其相乘得到混凝土徐變系數(shù)的表達式為：

φ(t，t0)=φ(∞，t0)·βc(t-t0)

(2)

φ(∞，t0)=β(fc)·β(t0)·φRH

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：β(fc)為取決于混凝土抗壓強度fc的參數(shù)；β(t0)為取決于加載齡期t0的參數(shù)；φRH為取決于環(huán)境相對濕度的參數(shù)。

徐變隨時間發(fā)展的系數(shù)βc(t-t0)為：

(7)

式中：βH取決于相對濕度和構(gòu)件尺寸，表達式為：

(8)

1.2.2徐變影響參數(shù)

CEB-FIP(1990)計算模式的影響參數(shù)主要有混凝土抗壓強度標準值fck、外部環(huán)境相對濕度值RH、構(gòu)件理論厚度、水泥類型和收縮時混凝土齡期等。在Midas civil中輸入相應(yīng)參數(shù)得到的徐變系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2　CEB-FIP(1990)徐變系數(shù)曲線

1.3JTG D65-2015徐變模式

1.3.1計算公式

鋼管混凝土的徐變系數(shù)可按下列公式計算：

(9)

1.3.2徐變影響參數(shù)

由于Midas civil中沒有JTG D65-2015的徐變系數(shù)模式，通過在軟件中輸入JTG D62-2004規(guī)定公式影響參數(shù)，根據(jù)得到的徐變系數(shù)坐標值，并按照給出的徐變系數(shù)公式計算出JTG D65-2015的徐變系數(shù)坐標值。將得到的坐標值輸入自定義徐變系數(shù)坐標中，得出徐變系數(shù)曲線。根據(jù)計算結(jié)果得出的徐變系數(shù)曲線如圖3所示。

圖3　JTG D65-2015徐變系數(shù)曲線

2　實橋分析

2.1模型建立

依托工程為一下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計算跨徑96 m，計算矢高19.2 m，拱軸線為二次拋物線；拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，拱肋高2.4 m，鋼管外徑1.0 m，壁厚14 mm，管內(nèi)填充C40微膨脹混凝土，腹腔中不填充；沿縱橋向每5 m設(shè)一吊桿，共16根，采用低應(yīng)力防腐拉索；拱肋間設(shè)5道一字型鋼管風撐及2道K字風撐，鋼管壁厚為14 mm；系梁采用箱形截面，每一片系梁內(nèi)布設(shè)12束15-9鋼絞線和2束15-10鋼絞線；行車道板采用25 cm高實心板。Midas civil建模如圖4所示。

圖4　實橋模型圖

2.2計算結(jié)果及分析

針對依托工程，通過有限元軟件建模計算，可以得到3種徐變模式下成橋3 a鋼管混凝土拱肋的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)。

2.2.1應(yīng)力分析

拱肋(包括鋼管和鋼管內(nèi)混凝土)應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

由表1中的計算結(jié)果可知：

1) ACI 209R-92計算結(jié)果最大，鋼管應(yīng)力最值之差約39.4%，上鋼管混凝土最值之差約20.6%，下鋼管混凝土最值之差約53.5%。

表1 不同徐變模式鋼管混凝土拱肋應(yīng)力計算結(jié)果MPa拱肋最值A(chǔ)CI209R-92CEB-FIP(1990)JTGD65-2015鋼管最小值-17.31-16.79-6.87最大值-28.58-27.96-9.77上鋼管混凝土最小值1.501.450.46最大值1.891.840.65下鋼管混凝土最小值0.860.840.39最大值1.851.850.63 注:表中正號表示受拉,負號表示受壓。

2) CEB-FIP(1990)計算結(jié)果次之，鋼管應(yīng)力最值之差約39.9%，上鋼管混凝土最值之差約21.2%，下鋼管混凝土最值之差約54.6%。

3) JTG D65-2015計算結(jié)果最小，鋼管應(yīng)力最值之差約29.7%，上鋼管混凝土最值之差約29.2%，下鋼管混凝土最值之差約38.1%。

4) ACI 209R-92與CEB-FIP(1990)計算結(jié)果較為接近，遠大于JTG D65-2015的計算結(jié)果，JTG D65-2015的結(jié)果約為ACI 209R-92與CEB-FIP(1990)結(jié)果的1/3左右。

2.2.2變形

從施工完畢到成橋3 a，以30 d為時間間隔，對不同徐變模式下拱肋跨中截面豎向撓度的變化進行分析，撓度變化結(jié)果見圖5。

圖5　拱頂撓度曲線

由圖5可知：

1) ACI 209R-92與CEB-FIP(1990)撓度較為接近，JTG D65-2015撓度則差別較大，大概為其它兩個撓度值的1/3左右。

2) CEB-FIP(1990)撓度基本不變，ACI 209R-92與JTG D65-2015撓度都在逐漸減少，且減少的趨勢和幅度較為接近，大概為33%左右。

3　結(jié)論

本文基于3種不同的徐變模式，依據(jù)實橋工程，通過有限元計算軟件對鋼管混凝土拱橋拱肋的應(yīng)力和變形進行了對比分析，分析表明JTG D65-2015的計算結(jié)果與ACI 209R-92和CEB-FIP(1990)相比，由徐變作用產(chǎn)生的應(yīng)力是ACI的40%左右，是CEB的41%左右；拱頂撓度是ACI和CEB的33%左右。JTG D65-2015徐變模式的可行性還有待隨實際工程中相關(guān)數(shù)據(jù)的積累作進一步研究。

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2016-01-18

劉少天(1992-)，男，在讀研究生，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)。

；1008-844X(2016)03-0094-04

；U 441

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