混凝土收縮徐變對(duì)斜拉橋疊合梁受力的影響

葉 佳，楊 偉，萬(wàn) 陽(yáng)

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

混凝土收縮徐變對(duì)斜拉橋疊合梁受力的影響

葉 佳，楊 偉，萬(wàn) 陽(yáng)

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

以某雙塔混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用Midas/Civil建立全橋空間有限元模型，分析了成橋階段混凝土收縮徐變對(duì)斜拉橋主梁內(nèi)力行為的影響。結(jié)果表明：混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)疊合梁正彎矩具有明顯的削峰作用，且明顯增加主梁負(fù)彎矩值；同時(shí)混凝土收縮徐變會(huì)引起疊合梁中鋼梁與混凝土橋面板之間的應(yīng)力重分布，使靠近鋼-混凝土結(jié)合段處的混凝土主梁應(yīng)力改變較大。

混合梁斜拉橋；鋼-混疊合梁；收縮徐變

Abstract：Based on the engineering background of a twin-tower hybrid girder cable-stayed bridge, the finite element model of the whole bridge is established by using Midas/Civil, and the influence of concrete shrinkage and creep on the internal force behavior of the cable-stayed bridge is analyzed. The results show that the shrinkage and creep effect of concrete has obvious peak-shaving effect on the positive bending moment of the composite beam, and the negative moment value of the main beam is increased obviously. At the same time, the shrinkage and creep of concrete will cause the stress redistribution between the beam and the concrete slab of the composite beam, so that the stress of the main beam near the steel-concrete joint section is changed greatly.

Keywords：cable-stayed bridge; steel and concrete composite beams; creep and shrinkage

混合梁斜拉橋是指斜拉橋的主梁由兩種不同的材料組成，主跨的梁體為鋼材，邊跨的梁體為混凝土梁材料。在大跨橋梁結(jié)構(gòu)中，通常對(duì)主跨的主梁有一定的剛度要求，因此主跨主梁采用鋼-混疊合梁形式，則形成含有鋼-混疊合梁段的混合梁斜拉橋。

對(duì)于斜拉橋，拉索的水平分力會(huì)使混凝土的徐變?cè)黾樱鸾M合截面上的鋼梁與混凝土橋面板之間發(fā)生應(yīng)力重分布，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形增加及疊合梁中鋼梁和混凝土橋面板應(yīng)力的變化[1]。因此，在對(duì)含鋼-混疊合梁段混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的分析中應(yīng)充分重視混凝土收縮徐變效應(yīng)的影響，找出主梁在收縮徐變效應(yīng)下內(nèi)力的變化規(guī)律和變化趨勢(shì)，以保證該類斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全和正常使用[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)的收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究[3-4]，但對(duì)含有鋼-混疊合梁段的混合梁斜拉橋受混凝土收縮徐變影響的研究還不多見。本文在總結(jié)鋼-混疊合梁收縮徐變計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，以某雙塔混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)有限元建模分析，對(duì)含有鋼-混疊合梁段的混合梁斜拉橋收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行了研究，以對(duì)同類橋梁設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 混凝土收縮徐變理論

20世紀(jì)30年代F.Dischingre提出了由混凝土徐變、收縮導(dǎo)致的混凝土與鋼筋截面應(yīng)力重分布與結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配計(jì)算的微分方程解。這種微分求解方法基于較多假定，與實(shí)際情況偏差較大，同時(shí)對(duì)于多次超靜定結(jié)構(gòu)采用微分法求解過(guò)程十分復(fù)雜。1967年，H.Trost教授引入老化系數(shù)概念，提出由徐變導(dǎo)致的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的代數(shù)方程表達(dá)式，不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算而且提高了精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和有限元分析方法的應(yīng)用，Trost-Bazant將按齡期的有效模量法與有限元法相結(jié)合，使得混凝土的徐變、收縮計(jì)算能夠采用更逼近實(shí)際的有限單元、逐步計(jì)算法[5]。

由于斜拉橋通常采用懸臂施工，工期較長(zhǎng)，且混凝土加載齡期差異較大，因此常采用逐步分析法[6-7]計(jì)算其收縮、徐變效應(yīng)。設(shè)ti為計(jì)算時(shí)刻，將應(yīng)力-應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系表達(dá)為：

(1)

式中：Δεcs(ti，ti-1)、Δσcs(ti，ti-1)為ti-1至ti時(shí)間內(nèi)由徐變與收縮引起的應(yīng)變?cè)隽亢蛻?yīng)力增量；Δσ(ti)為時(shí)刻ti的應(yīng)力增量；Δεs(ti，ti-1) 為ti-1至ti時(shí)間內(nèi)發(fā)生的收縮應(yīng)變?cè)隽浚籈(tj)為時(shí)刻tj的彈性模量。

同理，截面曲率增量與彎矩增量的關(guān)系為：

(2)

(3)

(4)

設(shè)軸向力增量ΔNcs(ti，ti-1)=Δσcs(ti，ti-1)Ac，將式(3)、(4)帶入式(1)，軸向力增量可表示為：

(5)

同理，將式(3)、(4)帶入式(2)，彎矩增量可表示為：

(6)

根據(jù)有限單元法形成荷載矩陣的原理，對(duì)結(jié)構(gòu)中任一平面梁?jiǎn)卧┘蛹s束，使其在第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移增量為0，則由節(jié)點(diǎn)約束產(chǎn)生的軸向力增量與彎矩增量分別為：

(7)

(8)

2 算例分析

2.1工程概況

某雙塔混合梁斜拉橋，主橋結(jié)構(gòu)為雙塔、雙索面、密索體系斜拉橋，主梁為縱向半漂浮體系，主跨跨徑為572 m，兩岸邊跨跨徑分別為280 m和198 m，北岸為輔助通航孔區(qū)，南岸不受通航影響。因此南岸邊跨布置三個(gè)輔助墩，主橋全長(zhǎng)1 050 m，該橋總體布置如圖1所示。該橋主跨及北岸邊跨主梁采用雙縱肋疊合梁，鋼主梁為工字形斷面，疊合梁中心梁高3.5 m。疊合梁主橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為13.5 m，主橫隔板間設(shè)置次橫隔板，間距為4.5 m。南岸邊跨主梁采用雙縱肋混凝土主梁，中心梁高3.5 m。疊合梁和混凝土主梁結(jié)合部采用鋼-混凝土過(guò)渡段連接，結(jié)合部位于中跨側(cè)距離南岸索塔10.725 m處。混凝土主梁采用C60等級(jí)的混凝土，鋼梁采用Q370qD結(jié)構(gòu)鋼。

圖1 主橋總體布置圖(單位:m)

2.2有限元模型

采用有限元軟件Midas/Civil建立全橋空間有限元模型，主梁采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用索單元模擬，疊合梁采用施工階段聯(lián)合截面法模擬[4]；混凝土材料的收縮徐變系數(shù)曲線以10 000 d為終值。通過(guò)建立上下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間采用彈性連接的形式模擬支座，彈性連接剛度按支座的實(shí)際剛度輸入。全橋共劃分為311個(gè)單元，其中疊合梁249個(gè)單元，混凝土梁62個(gè)單元，如表1所示。全橋有限元結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

表1 全橋有限元模型主梁分布

圖2 全橋空間有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

3.1對(duì)主梁內(nèi)力的影響

本文混凝土收縮量及徐變系數(shù)的計(jì)算采用了 CEB-FIP90的計(jì)算模型。根據(jù)全橋有限元模型的計(jì)算結(jié)果，主梁在成橋初期和成橋后期10 000 d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的軸力、彎矩、剪力分別如表2及圖3、圖4所示。

表2 混凝土收縮徐變前、后主梁軸力 kN

由表2可知：主梁最大軸力發(fā)生在南岸橋塔處，其軸力值為229 561.3 kN。成橋階段混凝土收縮徐變對(duì)主梁的軸力值影響較小，對(duì)疊合梁段的影響相對(duì)更小。

圖3成橋階段收縮徐變前、后主梁彎矩值圖4成橋階段收縮徐變前、后主梁剪力值

由圖3可知：成橋階段混凝土收縮徐變對(duì)混凝土梁彎矩的影響相對(duì)較小，而對(duì)疊合梁的彎矩有較大影響。疊合梁的最大正彎矩發(fā)生在北岸交界墩處，混凝土收縮徐變發(fā)生后，其彎矩值符號(hào)發(fā)生改變且產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，最大負(fù)彎矩值為-45 785.7 kN·m，正彎矩峰值減幅達(dá)到33.9%，也就是說(shuō)混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)疊合主梁產(chǎn)生了內(nèi)力重分布，因而對(duì)正彎矩具有削峰的作用。

由圖4可知：成橋階段混凝土收縮徐變對(duì)主梁剪力值影響較小。成橋階段最大剪力值為6 609 kN，混凝土收縮徐變完成后最大剪力值為6 503 kN，主梁的最大剪力值均發(fā)生在南岸橋塔鋼-混凝土結(jié)合段處。

3.2疊合梁應(yīng)力分析

疊合梁中鋼主梁與混凝土橋面板在成橋階段混凝土收縮徐變前后應(yīng)力變化情況如圖5、圖6所示。

圖5成橋階段收縮徐變前、后鋼梁應(yīng)力值圖6成橋階段收縮徐變前、后橋面板應(yīng)力值

由圖5、圖6可知：成橋階段混凝土的收縮徐變效應(yīng)并未造成混凝土橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，混凝土橋面板的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在北岸橋塔處；在主跨跨中以及北岸邊跨交界墩處，鋼主梁下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值較小?；炷潦湛s徐變前后，鋼主梁的上下翼緣的壓應(yīng)力均有所增加，北岸邊跨跨中處鋼梁下緣壓應(yīng)力由-14.1 MPa變?yōu)?46.9 MPa，增幅達(dá)到232.6%，；而混凝土橋面板的壓應(yīng)力均減小，最大減幅為29.4%，位于主跨跨中。由此可知：在混凝土的收縮徐變作用下，疊合梁截面發(fā)生了應(yīng)力重分布。

3.3混凝土主梁應(yīng)力分析

混凝土主梁在成橋階段混凝土收縮徐變前后應(yīng)力變化情況如圖7所示。

圖7 成橋階段混凝土主梁收縮徐變前后應(yīng)力值

由圖7可知：成橋階段混凝土的收縮徐變效應(yīng)使混凝土主梁的上翼緣應(yīng)力有所降低，對(duì)靠近鋼-混凝土結(jié)合段處的主梁影響比較大，最大降幅13.2%；在靠近鋼-混凝土結(jié)合段處的混凝土主梁下翼緣應(yīng)力增加，最大增幅32.5%，其余位置均有所降低，混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)南岸輔助墩位置處混凝土主梁下翼緣應(yīng)力沒有明顯的影響。

4 結(jié)論

成橋階段混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)該斜拉橋主梁的受力狀態(tài)有較大的影響，具體影響規(guī)律如下：

(1)混凝土后期收縮徐變對(duì)主梁的軸力、剪力影響均較小，但對(duì)主梁彎矩的影響較大，其對(duì)鋼-混組合梁彎矩的影響程度大于對(duì)混凝土主梁彎矩的影響程度。

(2)混凝土后期收縮徐變會(huì)造成鋼主梁與混凝土橋面板之間發(fā)生內(nèi)力重分配，進(jìn)而使鋼主梁應(yīng)力大幅增加，混凝土橋面板應(yīng)力減小；鋼主梁應(yīng)力最大增幅為232.6%，橋面板應(yīng)力最大減幅為29.4%。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)重視混凝土收縮徐變效應(yīng)使鋼主梁壓應(yīng)力增加后引起的腹板及下翼緣的穩(wěn)定問題。

(3)靠近鋼-混凝土結(jié)合段處混凝土主梁的下翼緣應(yīng)力增加，最大增幅32.5%，在輔助墩處混凝土主梁下翼緣應(yīng)力改變量較?。簧弦砭墤?yīng)力均有所降低，靠近鋼-混凝土結(jié)合段處最大減幅為13.2%。

通過(guò)對(duì)比分析，在成橋階段混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)該斜拉橋主梁內(nèi)力的影響規(guī)律可得：混凝土后期收縮徐變效應(yīng)對(duì)混凝土主梁受力的影響相對(duì)較小，對(duì)疊合梁主梁受力影響較大。相關(guān)研究結(jié)論可為同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工及成橋后的研究分析提供重要的參考，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施減少混凝土的后期收縮徐變，保證該斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全和正常使用。

[1] 熊禮鵬，吳沖，陸春陽(yáng).鋼-混凝土箱型組合斜拉橋主梁混凝土收縮徐變分析[J].交通科技，2010(4):1-3.

[2] 李小鋒，宋景濤. 收縮徐變效應(yīng)對(duì)混凝土斜拉橋內(nèi)力狀態(tài)影響分析[J]．上海公路, 2015(3): 40-42.

[3] 邱文亮，姜蒙，張哲. 鋼—混凝土組合梁收縮徐變分析的有限元方法[J]. 工程力學(xué)，2004, 21(4): 162-166.

[4] 李法雄，王曉夫，黃曉卿，等. 鋼-混凝土組合梁斜拉橋收縮徐變影響[J].公路交通科技，2013,30(10):54-60.

[5] 項(xiàng)海帆. 高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6] 鄭軍. 混凝土收縮徐變對(duì)斜拉橋受力性能的影響[J]. 太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013, 39 (1): 174-176 .

[7] 陳亮，邵長(zhǎng)宇. 結(jié)合梁斜拉橋混凝土收縮徐變影響規(guī)律[J].橋梁建設(shè)，2015 (1): 74-78.

Effectofshrinkageandcreepofconcreteonstressofcompositebeamofcable-stayedbridge

YE Jia, YANG Wei, WAN Yang

(DepartmentofCivilEngineering，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing40000，China)

2017-06-07

重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金(20160112)

葉 佳(1992—)，男，湖北荊州人，碩士研究生。

1674-7046(2017)04-0060-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.011

U445

A