混凝土收縮徐變效應對含疊合梁段混合梁斜拉橋主梁受力行為的影響

唐繼舜，李海崗，陳遠久，田 欣

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

混凝土收縮徐變效應對含疊合梁段混合梁斜拉橋主梁受力行為的影響

唐繼舜，李海崗，陳遠久，田 欣

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

以某雙塔混合梁斜拉橋為工程背景，利用橋梁專業(yè)軟件Midas/Civil建立了全橋三維有限元模型；對比分析了在成橋階段混凝土收縮徐變作用對斜拉橋主梁內力行為的影響.分析結果表明：混凝土收縮徐變效應對疊合主梁彎矩的影響較大，使其發(fā)生了內力重分布，對正彎矩具有削峰作用，造成負彎矩值有較大的增加，對混凝土主梁影響較?。皇湛s徐變效應對主梁軸力及剪力的影響均較?。换炷恋氖湛s徐變效應對疊合梁的受力影響較大，使疊合梁中鋼梁與混凝土橋面板之間應力發(fā)生重分布，靠近鋼-混凝土結合段處的混凝土主梁應力改變較大，其余位置改變量不明顯.

混合梁；斜拉橋；疊合梁；收縮徐變；受力行為

混凝土在空氣中凝固和硬化過程中，體積減小的現(xiàn)象稱為收縮，通常認為混凝土收縮是由凝膠體本身收縮和混凝土因失水產生的體積收縮組成[1].混凝土徐變是由于水泥石凝膠體在長期荷載作用下的黏性流動或滑移，同時吸附在凝膠粒子上的吸附水因荷載應力而向毛細管滲出.徐變是在應力作用下產生的，而收縮的產生則與應力無關，收縮徐變變形的特點是早期發(fā)展迅速，后期發(fā)展緩慢.因此收縮徐變影響著混凝土的各方面性能，如導致混凝土開裂和降低其耐久性[2].混凝土收縮、徐變使得混凝土結構的變形隨著時間而發(fā)生較大的變化，而當這些變形發(fā)生在超靜定結構中時，在多余約束處會產生多余的約束力，從而也就產生了次內力，這就是混凝土收縮和徐變的影響力[3].

混合梁斜拉橋是指斜拉橋的主梁有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[4-6].在大跨橋梁結構中，通常對主跨的主梁有一定的剛度要求，因此主跨主梁采用疊合梁形式，則形成含有疊合梁段的混合梁斜拉橋.

由于混凝土收縮徐變效應可導致結構的變形增加、預應力損失以及內力重分配，因此對含疊合梁段混合梁斜拉橋結構的分析中需要重視混凝土收縮徐變效應.對收縮徐變進行準確分析，找出主梁在收縮徐變效應下內力的變化規(guī)律和變化趨勢，這對保證該類斜拉橋的結構安全和正常使用具有重要的意義[7].

1 工程概況

該斜拉橋為雙塔混合梁斜拉橋(280m+572m+198m).主橋結構型式為雙塔、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572m，兩岸邊跨跨徑分別為280m和198m.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3個輔助墩.主橋全長1050m，該橋總體布置如圖1所示.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3.5m.疊合梁主橫隔板標準間距為13.5m，主橫隔板間設置次橫隔板，間距為4.5m.南岸邊跨主梁采用雙縱肋混凝土主梁，中心梁高3.5m.疊合梁和混凝土主梁結合部采用鋼-混凝土過渡段連接，結合部位于中跨側距離南岸索塔10.725m處.混凝土主梁采用C60等級的混凝土，鋼梁采用Q370qD結構鋼.

圖1 主橋總體布置圖(尺寸單位:m)

2 有限元模型

論文采用大型橋梁通用軟件Midas/Civil建立全橋空間有限元模型(圖2)，主梁采用單主梁模式，斜拉索采用索單元，疊合梁采用施工階段聯(lián)合截面法[8]；橋面板采用預制拼裝，并且預制板在拼裝之前存放6個月，拉索錨固區(qū)采用現(xiàn)澆；混凝土材料的收縮徐變系數(shù)曲線以10000d為終值；依據(jù)實際施工步驟，該橋共劃分152個施工階段.對于交界墩，在實際支座的位置建立上下兩個節(jié)點，節(jié)點之間采用彈性連接，彈性連接剛度按支座的實際剛度輸入.有限元模型中單元編號見表1.

表1 全橋有限元模型主梁分布

單元號疊合梁混凝土梁1-8283-249250-311主梁分布北岸邊跨主跨南岸邊跨

圖2 全橋空間有限元模型

3 有限元分析結果

3.1 對主梁軸力的影響

根據(jù)全橋有限元模型的計算結果，主梁在成橋階段開始和成橋后10000d兩個時間點的軸力值如圖3所示.

圖3 成橋階段不同時刻主梁軸力值

由圖3可以看出：斜拉橋的最大軸力值均發(fā)生在南岸橋塔處，成橋階段收縮徐變對主梁的軸力值影響較小，對疊合梁段的影響相對更小.各控制截面兩個時刻的軸力值對比見表2.

表2 成橋階段主梁控制截面收縮徐變前后軸力對比

控制截面/單元號成橋階段軸力值/kN成橋后10000d軸力值/kN軸力改變量/kN北岸合攏段72666．771564．1-1102．6北岸邊跨跨中98835．998506．6-329．3北岸橋塔137776．6137349．6-427主跨跨中49635．347940．0-1695．3鋼-砼結合處229561．3225286．1-4275．2南岸邊跨跨中203437．1198780．6-4656．5

3.2 對主梁彎矩的影響

根據(jù)全橋有限元模型的計算結果，主梁在成橋階段開始和成橋后10000d兩個時間點的彎矩值如圖4所示.

圖4 成橋階段不同時刻主梁彎矩值

由圖4可知，成橋階段混凝土收縮徐變對疊合梁主梁彎矩值的影響較大，而對混凝土主梁的彎矩值影響相對較小.不同時刻疊合梁主梁最大正彎矩均發(fā)生在北岸邊跨靠近交界墩處，混凝土收縮徐變發(fā)生后，在靠近南北橋塔處疊合梁的彎矩值符號發(fā)生改變，且產生的負彎矩值比較大，最大負彎矩值為-45785.7kN·m；疊合梁主梁正彎矩有所減小，且正彎矩峰值減幅達到33.9%，也就是混凝土收縮徐變效應對疊合主梁產生了內力重分布，因而對正彎

表3 成橋階段主梁控制截面收縮徐變前后彎矩對比

控制截面/單元號成橋階段彎矩值/kN·m成橋后10000d彎矩值/kN·m彎矩改變量/kN·m北岸1/4邊跨76428．350522．6-25905．7北岸邊跨跨中40173．44175．0-35998．4北岸橋塔9645．7-38858．7變號主跨跨中47496．224824．7-22671．5鋼-砼結合處22582．86-4156．89變號南岸邊跨跨中-5341．8-3888．8-1453．0

矩具有削峰的作用.成橋階段混凝土收縮徐變效應對各控制截面的彎矩值見表3.

3.3 對主梁剪力的影響

根據(jù)全橋有限元模型的計算結果，主梁在成橋階段開始和成橋后10000d兩個時間點的剪力值如圖5所示.

圖5 成橋階段不同時刻主梁剪力值

由圖5可知，成橋階段混凝土收縮徐變對主梁剪力值影響較小.成橋階段最大剪力值為6609kN，混凝土收縮徐變完成后最大剪力值為6503kN，主梁的最大剪力值均發(fā)生在南岸橋塔鋼-混凝土結合段處，控制截面剪力值見表4.

表4 成橋階段主梁控制截面收縮徐變前后剪力對比

控制截面成橋階段剪力值/kN成橋后10000d剪力值/kN剪力改變量/kN北岸合攏段717．51069．5351．6北岸邊跨跨中2082．52094．912．4北岸橋塔-2961-3354．1393．1主跨跨中52．1-115．1變號鋼-砼結合處-6609-6503106南岸邊跨跨中3460．53454．6-5．9

3.4 疊合梁應力分析

疊合梁中鋼主梁與混凝土橋面板在成橋階段開始和成橋后10000d兩個時間點的應力變化情況見圖6、圖7及表5、表6.

圖6 成橋階段不同時刻鋼梁應力值

圖7 成橋階段不同時刻混凝土橋面板應力值

由圖6、圖7及表5、表6可知，成橋階段混凝土的收縮徐變效應未使混凝土橋面板出現(xiàn)拉應力，混凝土橋面板的最大壓應力出現(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)拉應力，拉應力數(shù)值較小；鋼主梁的上下翼緣的壓應力均有所增加，壓應力最大增幅達到232.6%，位于北岸橋塔處；而混凝土橋面板的壓應力均減小，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)生了應力重分布[9-10].

表5 成橋階段鋼主梁收縮徐變前后應力值對比

截面位置應力位置鋼主梁/MPa成橋階段開始成橋后10000d應力改變量/%北岸邊跨跨中上緣-92．6-12433．9下緣-14．1-46．9232．6主跨跨中下緣-54．3-91．368．1上緣-85．3-11324．5下緣47．826．1-45．4鋼-砼結合處上緣-80．1-10834．8下緣-69．1-89．128．9

表6 成橋階段混凝土橋面板收縮徐變前后應力對比

橋面板/MPa控制截面位置應力位置成橋階段開始成橋后10000d應力改變量/%北岸邊跨上緣-10．3-8．2-20．4下緣-9．4-7．6-19．2北岸橋塔上緣-11．7-9．2-21．4下緣-11．3-9．0-20．4主跨跨中上緣-5．8-4．1-29．3下緣-5．1-3．6-29．4鋼-混凝土結合處上緣-9．7-8．2-15．5下緣-9．6-7．9-17．7

3.5 混凝土主梁應力分析

混凝土主梁在成橋階段開始和成橋后10000d兩個時間點的應力變化情況見圖8及表7.

圖8 成橋階段不同時刻混凝土主梁上緣應力值

由圖8及表7可知，成橋階段混凝土的收縮徐變效應使混凝土主梁的上翼緣應力有所降低，靠近鋼-混凝土結合段處的影響比較大，最大降幅13.2%；在靠近鋼-混凝土結合段處的混凝土主梁下翼緣應力增加，最大增幅32.5%，其余位置均有所降低，混凝土收縮徐變效應對南岸輔助墩位置處混凝土主梁下翼緣應力沒有明顯的影響.

表7 成橋階段混凝土主梁收縮徐變前后應力值對比

混凝土主梁/MPa控制截面位置應力位置成橋階段開始成橋后10000d應力改變量/%鋼-混凝土結合處上緣-8．8-7．7-12．5下緣-6．8-9．032．4南岸橋塔上緣-7．6-6．6-13．2下緣-5．6-7．025南岸輔助墩上緣-6．5-6．3-3．1下緣-6．0-6．00南岸輔助墩上緣-5．6-5．4-3．6下緣-4．5-4．50

4 結論

由以上分析可以得出，成橋階段混凝土收縮徐變效應對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效應對主梁的軸力值影響較小，主梁的軸力改變量不大.

(2)混凝土后期收縮徐變效應對疊合梁主梁彎矩值的影響較大，而對混凝土主梁的彎矩值影響相對較小，混凝土的收縮徐變效應對疊合主梁產生了內力重分布.

(3)混凝土后期收縮徐變效應對主梁剪力值影響較小，主梁的剪力改變量不大.

(4)混凝土后期收縮徐變效應造成了鋼主梁與混凝土橋面板之間發(fā)生了內力重分配，鋼主梁的應力增加，最大增幅232.6%，橋面板的應力有所減小，最大減幅29.4%.收縮徐變效應使鋼主梁壓應力增加，設計時應重視腹板及下翼緣的穩(wěn)定問題.

(5)靠近鋼-混凝土結合段處混凝土主梁的下翼緣應力增加，最大增幅32.5%，在輔助墩處混凝土主梁下翼緣應力改變量較??；上翼緣應力均有所降低，靠近鋼-混凝土結合段處最大減幅為13.2%.

(6)混凝土后期收縮徐變效應對混凝土主梁受力的影響相對較??；對疊合梁主梁受力影響較大.

通過對比分析在成橋階段混凝土的收縮徐變效應對該斜拉橋主梁內力的影響規(guī)律可知：混凝土后期收縮徐變效應對混凝土主梁受力的影響相對較?。粚ΟB合梁主梁受力影響較大.相關研究結論可為同類橋梁的設計、施工及成橋后的研究分析提供重要的參考，設計和施工中應采取相應的措施減少混凝土的后期收縮徐變，保證該類斜拉橋的結構安全和正常使用.

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(編輯：姚佳良)

Effect of concrete shrinkage and creep effection on the main girder′s mechanic behaviors of hybrid girder cable-stayed bridge with superposed beam

TANG Ji-shun，LI Hai-gang，CHEN Yuan-jiu，TIAN Xin

(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The 3D finite element model of a hybrid beam cable-stayed bridge with double pylons located in china is established. Compared with the concrete beam, the effect of shrinkage and creep of concrete on the superposed beam is studied during finished state. And it turns out that the effect of shrinkage and creep of concrete on the superposed beam is much larger than the concrete beam as it leads to bending redistribution and curving pare peak that the negative bending increased. While, it has little effect on the axial force and shear force. Consequently, the stress of superposed beam is redistributed and the stress change of concrete segments near the steel-concrete composite structure is much larger while the others′ is slight.

hybrid girder；cable-stayed bridge；superposed beam；shrinkage and creep；mechanic behaviors

2016-11-29

唐繼舜，男，tjstjs1963@163.com

1672-6197(2017)06-0067-05

U448.27；U448.38

A