鋼-混組合連續(xù)梁橋徐變性能研究

許小龍 陳強(qiáng)

摘要：文章在歸納總結(jié)現(xiàn)有徐變效應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，確定適用于鋼-混組合連續(xù)梁橋的徐變預(yù)測(cè)模型為JTG 3362-2018徐變預(yù)測(cè)模型，并以某海洋環(huán)境中的6x 85m鋼一混組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)精細(xì)化有限元分析軟件Midas Civil建立了6x 85m鋼一混組合連續(xù)梁橋全橋精細(xì)化計(jì)算模型，分析徐變效應(yīng)中成橋時(shí)間、加載齡期、濕度三種關(guān)鍵因素對(duì)鋼一混組合連續(xù)梁橋長(zhǎng)期撓度和應(yīng)力變化的影響，獲得了鋼一混組合連續(xù)梁長(zhǎng)期撓度及應(yīng)力與成橋時(shí)間、加載齡期、濕度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁橋;徐變效應(yīng);預(yù)測(cè)模型;長(zhǎng)期性能;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U448.215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.024

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0080-05

0引言

鋼-混凝土組合梁是通過(guò)剪釘連接鋼梁和混凝土板而形成的組合結(jié)構(gòu)，在橋梁成橋后，隨著時(shí)間的推移與環(huán)境的變化，混凝土徐變效應(yīng)會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生許多不利影響。同時(shí)由于混凝土徐變的存在，也加大了施工的難度，使得梁段難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，給預(yù)拱度的合理設(shè)置提出難題。對(duì)于組合連續(xù)梁等超靜定結(jié)構(gòu)，由于存在冗余約束，徐變還會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生額外內(nèi)力，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重新分布。目前對(duì)于徐變的研究，主要是通過(guò)試驗(yàn)法以及有限元仿真分析法，得出實(shí)際構(gòu)件的應(yīng)力變化值以及撓度變形值。鋼-混組合橋梁作為一種新橋型，相應(yīng)的徐變研究較少，而組合梁由于剪力連接鍵的存在以及鋼梁對(duì)混凝土板的約束作用，使得其整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力比一般混凝土梁橋更為復(fù)雜，因此，準(zhǔn)確分析鋼-混組合梁徐變效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，在徐變領(lǐng)域，眾多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用長(zhǎng)期試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作，獲得了一批有價(jià)值的結(jié)論。Erkmen使用ABAQUS軟件建立了鋼一混組合彎橋的徐變效應(yīng)有限元分析模型，得出了鋼-混組合彎橋的豎向撓度與橫向變形隨時(shí)間變化關(guān)系。邱文亮基于有限元分析理論，提出一種簡(jiǎn)化分析模型，該模型能直接運(yùn)用于長(zhǎng)期荷載下鋼-混組合梁橋的徐變研究，獲得橋梁關(guān)鍵部位的主要力學(xué)性能的長(zhǎng)期變化規(guī)律。劉永健分析了廣東東江大橋混凝土徐變效應(yīng)對(duì)橋面板應(yīng)力以及跨中撓度的影響，研究結(jié)果直接運(yùn)用于東江大橋。袁明以PC連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，推導(dǎo)出混凝土徐變作用下橋梁的各項(xiàng)力學(xué)性能計(jì)算公式，研究了混凝土徐變對(duì)結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律，并對(duì)混凝土板中預(yù)應(yīng)力束的合理布置提出了建議。

基于上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本研究以某海洋環(huán)境中的6x 85m鋼一混組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)精細(xì)化有限元分析軟件Midas Civil建立該橋全橋精細(xì)化模型，采用徐變預(yù)測(cè)模型對(duì)組合連續(xù)箱梁進(jìn)行徐變研究，探明鋼一混組合連續(xù)梁撓度和應(yīng)力隨徐變關(guān)鍵影響因素的變化關(guān)系，為橋梁的合理設(shè)計(jì)和安全施工提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1工程概況與有限元模型

某海洋環(huán)境中的6x85m鋼一混組合連續(xù)梁橋的縱斷面示意圖如圖1所示。鋼-混組合連續(xù)梁主梁為單箱單室鋼結(jié)構(gòu)箱梁，箱梁兩側(cè)頂板和小縱梁頂板布置有集束式鋼結(jié)構(gòu)剪力釘，剪力釘與其上的C60混凝土板相連，組合成整體。

鋼-混組合梁主梁節(jié)段示意圖如圖2所示。單幅單向四車道，雙幅共雙向八車道。大橋設(shè)計(jì)使用年限為120年。

選取該橋?yàn)樾熳冃?yīng)的研究對(duì)象，采用MidasCivil軟件建立全橋六孔鋼-混組合梁有限元精細(xì)化模型，混凝土板由C60混凝土制成，鋼梁由Q345QD鋼制造。鋼主梁、小縱梁、縱橫向加勁肋、橫隔板由實(shí)體單元進(jìn)行建模，預(yù)制混凝土橋面板由實(shí)體單元建模，其余構(gòu)件采用桿系梁?jiǎn)卧M，6孔組合連續(xù)梁全橋共有86984個(gè)單元，75636個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3和圖4所示。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定在程序中進(jìn)行施工階段的劃分與設(shè)置，分析橋梁的力學(xué)行為。由于本研究中組合連續(xù)梁采取先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工丁序，即在支座處劃分一個(gè)小節(jié)段作為簡(jiǎn)支變連續(xù)連接段，先放置施工用臨時(shí)支座，從而使梁處于簡(jiǎn)支狀態(tài)，待相鄰節(jié)段焊接結(jié)束后，鈍化施工用臨時(shí)支座，進(jìn)而達(dá)到簡(jiǎn)支變連續(xù)過(guò)程的轉(zhuǎn)換。在Midas Civil軟件程序中，在整孔架設(shè)階段使相鄰跨的焊接連接段的模型參數(shù)為零，不參與結(jié)構(gòu)受力，在焊接完成后給予其模型參數(shù)參與結(jié)構(gòu)整體受力。組合梁沒(méi)拆除臨時(shí)支座之前，即組合梁橋處于在簡(jiǎn)支狀態(tài)下提取支座反力，將此支座反力作用于臨時(shí)支座處位置，計(jì)算得到組合梁實(shí)際內(nèi)力狀態(tài)。為了給予負(fù)彎矩位置處一定的預(yù)壓力，以避免相應(yīng)部位混凝土發(fā)生裂縫病害，組合梁施工中采用了頂升的施丁工藝。在Midas Civil軟件程序中，給支點(diǎn)設(shè)置一個(gè)向上的位移300mm來(lái)模擬對(duì)混凝土板支點(diǎn)處的頂升。

2 徐變預(yù)測(cè)模型及計(jì)算結(jié)果

2.1徐變預(yù)測(cè)模型確定

徐變預(yù)測(cè)模型是各國(guó)研究者通過(guò)大量的試驗(yàn)，擬合出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，考慮了各種影響混凝土收縮徐變效應(yīng)的因素。CEB-FIP1990模型由系數(shù)相乘得到，分別為名義徐變系數(shù)及徐變發(fā)展系數(shù)，ACl209模型則采用了雙曲線形式來(lái)表示徐變系數(shù)。各規(guī)范規(guī)定的混凝土徐變預(yù)測(cè)模型中的影響因素存在差異，但主要影響因素如濕度、加載齡期、構(gòu)件尺寸這些影響徐變的主要因素都被寫進(jìn)公式中，對(duì)不同的混凝土收縮徐變預(yù)測(cè)模型提出了不同的混凝土徐變系數(shù)的計(jì)算方法，反映了混凝土徐變的發(fā)展規(guī)律。對(duì)混凝土收縮徐變效應(yīng)的分析，在工程實(shí)踐中往往根據(jù)實(shí)際工程所處的環(huán)境以及相應(yīng)規(guī)范選擇合適的收縮徐變預(yù)測(cè)模型。JTG 3362-2018模型是CEB-FIP系列模式的衍生模式，對(duì)于徐變的預(yù)測(cè)最為精確，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛。本研究中的鋼-混組合連續(xù)梁橋位于海洋環(huán)境中，溫濕變化隨季節(jié)變化比較大。由此，確定采用我國(guó)最新JTG 3362-2018規(guī)定的徐變預(yù)測(cè)模型進(jìn)行徐變性能研究。

2.2 加載齡期及濕度對(duì)組合梁橋位移的影響

將鋼-混組合連續(xù)梁所處位置的年平均相對(duì)濕度設(shè)置成70%，分別采用1000d和3000d兩種不同成橋時(shí)間，計(jì)算對(duì)比不同加載齡期下鋼-混組合連續(xù)梁徐變所產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度值，獲得徐變影響下鋼-混組合連續(xù)梁橋邊跨位置處豎向撓度值的大小，如圖5所示。當(dāng)成橋時(shí)間為1000d時(shí)，組合梁邊跨的豎向撓度值會(huì)隨加載齡期的增長(zhǎng)，顯著降低，當(dāng)加載齡期的取值為10d，對(duì)應(yīng)的邊跨豎向撓度為34.8mm當(dāng)加載齡期增長(zhǎng)到180d，對(duì)應(yīng)的邊跨豎向撓度降低到19.5mm。當(dāng)咸橋時(shí)間為3000d時(shí)，組合梁邊跨的豎向撓度值會(huì)隨加載齡期的增長(zhǎng)，顯著降低，當(dāng)加載齡期的取值為10d，對(duì)應(yīng)的邊跨豎向撓度為37.2mm;當(dāng)加載齡期增長(zhǎng)到180d，對(duì)應(yīng)的邊跨豎向撓度降低到21.8mm。由圖5可知，混凝土的收縮徐變作用對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響與加載齡期成反比，由于篇幅限制，僅給出成橋1000d時(shí)不同加載齡期下邊跨豎向撓度曲線圖。

加載齡期設(shè)置成180d，對(duì)應(yīng)選取1000d和3000d兩種不同咸橋時(shí)間，計(jì)算橋位區(qū)年平均相對(duì)濕度分別為50%、70%、90%時(shí)鋼-混組合連續(xù)梁徐變產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度，比較鋼-混組合連續(xù)梁橋邊跨豎向撓度值的大小，如圖6所示。當(dāng)成橋時(shí)間為1000d時(shí)，鋼-混組合連續(xù)梁邊跨豎向撓度將隨著橋位處相對(duì)濕度變大而顯著減小，橋位處相對(duì)濕度設(shè)置成50%時(shí)，邊跨豎向撓度值達(dá)到-23.2mm;將橋位處相對(duì)濕度設(shè)置咸90%時(shí)，邊跨豎向撓度降低到-14.6m。當(dāng)成橋時(shí)間為3000d時(shí)，鋼-混組合連續(xù)梁邊跨豎向撓度將隨著橋位處相對(duì)濕度變大而顯著減小，橋位處相對(duì)濕度設(shè)置成50%時(shí)，邊跨豎向撓度值達(dá)到-25.1mm;將橋位處相對(duì)濕度設(shè)置咸90%時(shí)，邊跨豎向撓度降低到-16.3m。從圖6可知，混凝土的收縮徐變作用對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響與橋位處濕度成反比，由于篇幅限制，僅給出成橋1000d時(shí)不同濕度下邊跨豎向撓度曲線圖。

2.3 成橋時(shí)間對(duì)組合梁橋應(yīng)力的影響

分別計(jì)算在不同的成橋時(shí)間下，組合梁橋邊跨鋼梁上翼緣最大壓應(yīng)力、下翼緣最大拉應(yīng)力及預(yù)制橋面板的頂?shù)装鍛?yīng)力，并對(duì)比其應(yīng)力隨成橋時(shí)間變化情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖7-9，表中受拉為正，受壓為負(fù)。

由圖7可見(jiàn)，隨著成橋天數(shù)的增長(zhǎng)，徐變效應(yīng)作用下鋼梁上緣壓應(yīng)力不斷增加，并且在前三年時(shí)間壓應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較快，成橋1000d時(shí)，其邊跨上緣壓應(yīng)力由62MPa增長(zhǎng)到1171VIPa;2000d時(shí)，增長(zhǎng)到125MPa;3000d時(shí)，上緣壓應(yīng)力增加達(dá)到127MPa。此時(shí)壓應(yīng)力增長(zhǎng)已很緩慢，曲線的斜率區(qū)域平穩(wěn)，基本趨于穩(wěn)定。

圖8表明，徐變對(duì)鋼一混組合梁鋼梁下緣拉應(yīng)力的影響則相對(duì)較小。其初始成橋狀態(tài)下鋼梁下緣拉應(yīng)力值為170MPa，成橋3000d時(shí)相應(yīng)位置處的應(yīng)力降低到148MPa，減小約13%。前三年時(shí)間減小較快，已減小接近70%。到成橋3000d時(shí)，鋼梁下緣對(duì)應(yīng)位置處的拉應(yīng)力的降低幅度已經(jīng)很小，基本趨于穩(wěn)定。

同理計(jì)算得到混凝土板上下緣應(yīng)力變化值（如圖9所示），混凝土板上下緣壓應(yīng)力均隨成橋時(shí)間增大而減小。

2.4 加載齡期對(duì)組合梁橋應(yīng)力的影響

工程上將徐變引起的變形與結(jié)構(gòu)瞬時(shí)彈性：變形之比定義為混凝土徐變系數(shù)。將橋位處年平均相對(duì)濕度定義成70%，計(jì)算不同加載齡期下混凝土徐變系數(shù)隨成橋時(shí)間的變化關(guān)系，獲得加載齡期分別設(shè)置成30d和180d時(shí)，鋼-混組合連續(xù)梁橋邊跨各關(guān)鍵部位的應(yīng)力隨時(shí)間變化值，如圖10-13所示。

由圖10和圖11可知，混凝土的徐變系數(shù)與加載齡期成反比，在鋼-混組合連續(xù)梁的施工架設(shè)過(guò)程中，將橋面板放置半年以上，可顯著降低結(jié)構(gòu)的徐變效應(yīng)。

由下頁(yè)圖12可知，隨著加載齡期的增長(zhǎng)，徐變效應(yīng)引起的組合梁應(yīng)力變化越小。當(dāng)混凝土加載齡期設(shè)置到30d，成橋時(shí)間1000d時(shí)，其邊跨鋼梁上緣壓應(yīng)力為117MPa成橋時(shí)間增長(zhǎng)到2000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為125MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到3000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為127MPa。當(dāng)混凝土加載齡期設(shè)置到180d，成橋時(shí)間1000d時(shí)，其邊跨鋼梁上緣壓應(yīng)力為108MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到2000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為110MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到3000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為112MPa。

由下頁(yè)圖13可見(jiàn)，不同加載齡期對(duì)組合梁橋鋼梁下緣拉應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生影響。隨著加載齡期增大，鋼梁下緣應(yīng)力隨時(shí)間變化減小，加載齡期對(duì)鋼梁上緣應(yīng)力的影響較下緣應(yīng)力影響更為顯著。增大加載齡期可以顯著降低由徐變作用所導(dǎo)致的應(yīng)力變化。

2.5 濕度對(duì)組合梁橋關(guān)鍵部位應(yīng)力的影響

將加載齡期設(shè)置為180d，分析橋位處不同環(huán)境相對(duì)濕度下徐變系數(shù)隨成橋時(shí)間變化的關(guān)系以及不同環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的組合梁橋邊跨鋼梁各關(guān)鍵部位的應(yīng)力隨時(shí)間變化值，并對(duì)比其應(yīng)力隨時(shí)間變化情況（見(jiàn)圖14-15）。由圖14可知，隨著橋位處環(huán)境相對(duì)濕度增大，徐變系數(shù)降低，兩者成反比關(guān)系。

由圖15可見(jiàn)，橋位處環(huán)境相對(duì)濕度越大，徐變引起的組合梁橋邊跨鋼梁各關(guān)鍵部位的應(yīng)力越小。當(dāng)將環(huán)境相對(duì)濕度設(shè)置成50%時(shí)，咸橋時(shí)間為1000d時(shí)，其邊跨鋼梁上緣壓應(yīng)力為104.5MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到2000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為108.7MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到3000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為110.8MPa。將環(huán)境相對(duì)濕度設(shè)置成70%，成橋時(shí)間為1000d時(shí)，其邊跨鋼梁上緣壓應(yīng)力為93.4MPa;咸橋時(shí)間增長(zhǎng)到2000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為96.4MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到3000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為98.1MPa。將環(huán)境相對(duì)濕度設(shè)置成90%，成橋時(shí)間為1000d時(shí)，其邊跨鋼梁上緣壓應(yīng)力為81.4MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到2000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為83.2MPa;成橋時(shí)間增長(zhǎng)到3000d時(shí)，相應(yīng)位置處的應(yīng)力增大為84.5MPa。

不同濕度對(duì)組合梁應(yīng)力變化的影響也體現(xiàn)在鋼梁下緣拉應(yīng)力變化上，且環(huán)境相對(duì)濕度越高，鋼梁下緣拉應(yīng)力變化越小，但橋位處環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)鋼梁上緣應(yīng)力的影響較下緣應(yīng)力的影響更為顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文建立了6×85m鋼-混組合連續(xù)箱梁橋全橋精細(xì)化有限元模型，模型中考慮簡(jiǎn)支變連續(xù)以及頂升的施工工藝，以精確分析橋梁的力學(xué)行為，確定了適用于鋼-混組合連續(xù)梁橋的徐變預(yù)測(cè)模型為JTG 3362-2018模型。

（2）本文詳細(xì)分析徐變效應(yīng)對(duì)鋼-混組合連續(xù)梁橋長(zhǎng)期撓度和應(yīng)力變化的影響，得到了不同環(huán)境因素下，組合梁長(zhǎng)期撓度值的大小，以及組合梁應(yīng)力變化與環(huán)境因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。徐變會(huì)引起鋼-混組合連續(xù)梁橋截面應(yīng)力和撓度的顯著變化，設(shè)計(jì)和施工中不能忽略，應(yīng)采取必要的措施降低徐變對(duì)組合梁的影響。