鋼混組合梁徐變效應(yīng)影響的探討

孔令熙

（同濟(jì)大學(xué)，上海市200092）

0 引 言

鋼混組合梁結(jié)構(gòu)是一種采用剪力鍵將鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合成組合截面共同工作的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)，其具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自優(yōu)點(diǎn)。組合梁結(jié)構(gòu)中最常使用的是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)楹?jiǎn)支梁的受力體系為上緣受壓、下緣受拉，最符合組合梁材料分布的合理原則，可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土良好的力學(xué)性能。在橋梁工程蓬勃發(fā)展的今天，組合梁結(jié)構(gòu)依靠其受力合理、施工便捷，已大量應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)中。

混凝土的徐變是混凝土材料本身固有的特性，當(dāng)混凝土在一定的溫度、濕度、荷載作用下，隨著時(shí)間的逐漸增加，混凝土的應(yīng)變不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象。由于鋼材相對(duì)于混凝土來說，徐變效應(yīng)量級(jí)較小，可以忽略不計(jì)，但鋼結(jié)構(gòu)通過剪力鍵抵抗混凝土的變形，使得混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化向鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，從而使得組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力重分布[1，2]。本文將從混凝土結(jié)構(gòu)徐變的基本理論出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)例，建立有限元模型，探討鋼混組合梁的徐變效應(yīng)中幾種影響因素的變化規(guī)律，從而提高鋼混組合梁的使用效率。

1 徐變描述

混凝土發(fā)生徐變通常采用徐變系數(shù)、徐變度和徐變函數(shù)三種方式表示。

（1）徐變系數(shù)

徐變系數(shù)表示對(duì)于在時(shí)刻t0施加初應(yīng)力σc（t0）至t時(shí)刻的混凝土的徐變變形與瞬時(shí)彈性變形的比值：

根據(jù)彈性變形方程，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

式中：σc（t0）為齡期t0加載時(shí)的應(yīng)力，MPa；Ec（t0）為齡期t0加載時(shí)混凝土的彈性模量，MPa。

因此，徐變系數(shù)可表達(dá)為：

（2）徐變度

徐變度表示單位應(yīng)力作用下的徐變變形：

（3）徐變函數(shù)

徐變函數(shù)表示單位應(yīng)力作用下混凝土彈性應(yīng)變和徐變應(yīng)變之和：

2 工程實(shí)例分析

（1）工程概況

成山路小腰涇橋采用的是工字形鋼板梁與混凝土橋面板結(jié)合的鋼混組合梁，其特點(diǎn)為低梁高多工字梁組合梁，如圖1所示。

圖1 成山路小腰涇橋橫斷面布置（單位：mm）

主橋跨徑36m，橋梁寬度26.5m，結(jié)構(gòu)總高度為1.3m，高跨比為1/32.7。

建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 成山路小腰涇橋Midas 梁格計(jì)算模型

在計(jì)算時(shí)，縱梁?jiǎn)卧x用聯(lián)合截面模擬鋼混組合結(jié)構(gòu)受力，架梁后進(jìn)行現(xiàn)澆段和端橫梁混凝土澆筑，按實(shí)際施工步驟進(jìn)行施工階段模擬，具體施工階段見表1。

表1 施工階段劃分表

在成橋10 a后，橋面板混凝土收縮徐變基本完成，收縮徐變產(chǎn)生的效應(yīng)不再變化。

（2）對(duì)應(yīng)力結(jié)果影響分析

通過對(duì)比不計(jì)收縮徐變狀態(tài)下的組合梁工字鋼應(yīng)力與計(jì)入收縮徐變10a后的應(yīng)力情況，結(jié)果如圖3～圖6所示：

圖3 組合梁工字梁上緣應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

圖4 組合梁工字梁下緣應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

圖5 組合梁混凝土板上緣應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

圖6 組合梁混凝土板下緣應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

通過對(duì)比圖可知，直觀地體現(xiàn)了組合結(jié)構(gòu)在混凝土收縮徐變10 a后與成橋狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力變化。在僅考慮混凝土徐變作用下，跨中截面鋼梁上緣壓應(yīng)力增加約5 MPa；鋼梁下緣拉應(yīng)力增加約2 MPa；混凝土上緣拉應(yīng)力增加約1.1 MPa；混凝土下緣拉應(yīng)力增加約0.3MPa。徐變效應(yīng)對(duì)組合結(jié)構(gòu)的主要變化量發(fā)生在跨中截面的鋼梁壓應(yīng)力增加和混凝土板的壓應(yīng)力增加，尤其是混凝土橋面板拉應(yīng)力增加，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以重視。

（3）對(duì)撓度結(jié)果影響分析

通過對(duì)比不計(jì)收縮徐變狀態(tài)下的組合梁撓度與計(jì)入收縮徐變10 a后的撓度情況，結(jié)果如圖7所示：

通過對(duì)比圖可知，直觀地體現(xiàn)了組合結(jié)構(gòu)在混凝土收縮徐變10 a后與成橋狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)撓度變化。在僅考慮混凝土徐變作用下，跨中截面撓度增加約5 mm，當(dāng)考慮混凝土收縮徐變共同作用下，撓度增加約24mm。由于該工程橋面板采用的是現(xiàn)澆混凝土的施工工藝，收縮效應(yīng)的影響較為顯著。若采取預(yù)制橋面板的施工方法，則收縮影響將會(huì)顯著減小，而徐變效應(yīng)的影響將會(huì)變得明顯。

圖7 組合梁撓度結(jié)果（單位：mm）

（4）小結(jié)

混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)鋼混組合梁橋的影響不容忽視，混凝土徐變效應(yīng)在簡(jiǎn)支組合梁結(jié)構(gòu)跨中截面混凝土上緣將會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，也進(jìn)一步證明了混凝土橋面板中鋼筋的設(shè)計(jì)將會(huì)決定混凝土的抗裂能力。

3 參數(shù)敏感性分析

由于混凝土收縮徐變的影響因素較多，變化規(guī)律較為復(fù)雜，而且鋼和混凝土的材料性質(zhì)存在差異，各種影響因素下，徐變效應(yīng)的敏感性也均不同[3]。

為了得出影響因素及對(duì)徐變效應(yīng)影響的規(guī)律特點(diǎn)，故選取不同的影響因素，通過擬定的有限元模型（40m工字形鋼板梁與混凝土橋面板結(jié)合的鋼混組合梁，組合梁高1.5m），來進(jìn)行分析與比較。

3.1 混凝土的強(qiáng)度

分別對(duì)組合結(jié)構(gòu)混凝土橋面板強(qiáng)度定義為C30、C35、C40、C45、C50、C60進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果圖8、圖9所示。

圖9 不同混凝土強(qiáng)度組合梁恒載+徐變撓度結(jié)果（單位：mm）

通過對(duì)比圖可知，混凝土C30～C50的組合結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果較為接近，C60撓度明顯減小；組合梁橋面板上緣壓應(yīng)力在混凝土C60時(shí)明顯增大約0.6MPa。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）的附錄C.2.2中對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)C50及以上混凝土，混凝土名義徐變系數(shù)0需乘以混凝土材料系數(shù)。

小結(jié)：隨著混凝土標(biāo)號(hào)的增加，混凝土板上緣壓應(yīng)力及組合梁撓度變化不大，但高標(biāo)號(hào)混凝土徐變變形小。

3.2 混凝土橋面板的理論厚度[4]

分別對(duì)組合結(jié)構(gòu)混凝土橋面板理論厚度計(jì)算中的U構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度定義為（1）整個(gè)橋面板外表面周長(zhǎng)，則h1=181.8mm；（2）按扣除與混凝土橋面板接觸的工字梁上翼緣寬度的外表面周長(zhǎng)，則h2=205.1mm；（3）按扣除與瀝青鋪裝接觸及混凝土橋面板接觸的工字梁上翼緣寬度的外表面周長(zhǎng)，則h3=421.1mm；結(jié)果如圖10～圖12所示。

通過對(duì)比圖可知，隨著混凝土橋面板理論厚度的增加，組合梁撓度相應(yīng)減小，混凝土橋面板上下緣壓應(yīng)力也相應(yīng)增加，但混凝土的收縮效應(yīng)更為顯著。

圖11 不同混凝土橋面板的理論厚度組合梁跨中混凝土板下緣應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

小結(jié)：通過對(duì)U構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度的定義不同可見，在設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度的取值應(yīng)當(dāng)整個(gè)橋面板外表面周長(zhǎng)則計(jì)算結(jié)果偏保守。

3.3 混凝土的齡期

分別對(duì)組合結(jié)構(gòu)混凝土齡期定義為3 d、28 d、60 d、120 d、180 d、360 d進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖14 不同混凝土齡期組合梁恒載+徐變撓度結(jié)果（單位：mm）

通過對(duì)比圖可知，隨著澆筑的混凝土齡期的增加，組合梁結(jié)構(gòu)的撓度變形在減小，混凝土橋面板上緣壓應(yīng)力相應(yīng)增加，混凝土徐變效應(yīng)下360 d齡期較3 d齡期組合梁混凝土板上緣拉應(yīng)力減小1.1MPa。根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）的6.2.4，預(yù)制板安裝前宜存放6個(gè)月以上可知，齡期較長(zhǎng)的混凝土在與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合后，最終的組合結(jié)構(gòu)撓度增加量會(huì)減小。

小結(jié)：在工程允許的情況下，盡可能采用預(yù)制混凝土橋面板，混凝土的收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。若采用現(xiàn)澆的形式。撓度初期增長(zhǎng)快，后期撓度逐漸趨于穩(wěn)定，盡可能在1個(gè)月后再拆模較好。

3.4 環(huán)境年平均濕度[5]

分別對(duì)環(huán)境年平均濕度定義為50%、60%、70%、80%、90%進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖15、圖16所示。

通過對(duì)比圖可知，隨著環(huán)境年平均濕度的增加，組合梁撓度相應(yīng)減小，混凝土橋面板上緣壓應(yīng)力也相應(yīng)增加，環(huán)境年平均濕度較大地區(qū)混凝土橋面板上緣拉應(yīng)力將顯著減小。

小結(jié)：環(huán)境年平均濕度增加，橋面板上緣拉應(yīng)力減小，混凝土橋面板不易開裂。在濕度較低的區(qū)域施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好混凝土養(yǎng)護(hù)避免混凝土開裂。

3.5 抗剪連接件的抗剪剛度[6]

分別對(duì)組合結(jié)構(gòu)抗剪連接件的抗剪剛度定義為原抗剪剛度的40%、55%、70%、85%、100%進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖17所示。

圖17 不同混凝土強(qiáng)度組合梁恒載+徐變撓度結(jié)果（單位：mm）

通過對(duì)比圖可知，隨著抗剪剛度的增加，組合梁撓度相應(yīng)減小。當(dāng)由于抗剪剛度過小，截面產(chǎn)生滑移的趨勢(shì)時(shí)，徐變效應(yīng)對(duì)于組合梁撓度影響更為明顯。

小結(jié)：當(dāng)剪力連接件的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求時(shí)，忽略混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)滑移是可行的。

4 結(jié)論

隨著混凝土標(biāo)號(hào)的增加，混凝土板上緣壓應(yīng)力及組合梁撓度變化不大，但高標(biāo)號(hào)混凝土徐變變形小。構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度的取值應(yīng)當(dāng)整個(gè)橋面板外表面周長(zhǎng)則計(jì)算結(jié)果偏保守。在工程允許的情況下，盡可能采用預(yù)制混凝土橋面板，混凝的收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。若采用現(xiàn)澆的形式。撓度初期增長(zhǎng)快，后期撓度逐漸趨于穩(wěn)定，盡可能在1個(gè)月后再拆模較好。環(huán)境年平均濕度增加，橋面板上緣拉應(yīng)力減小，混凝土橋面板不易開裂。在濕度較低的區(qū)域施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好混凝土養(yǎng)護(hù)避免混凝土開裂。當(dāng)剪力連接件的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求時(shí)，忽略混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)滑移是可行的。

5 結(jié) 語

鋼混組合梁的徐變效應(yīng)在本文研究時(shí)，尚存以下問題需做進(jìn)一步探究：

（1）本文僅考慮簡(jiǎn)支鋼混組合結(jié)構(gòu)，并未考慮連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系的影響；

（2）在擬定有限元模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析時(shí)，并未考慮剪力滯效應(yīng)。