關于簡支波形腹板鋼箱組合梁徐變效應的研究

李 健，周莉莉

(1.廣西田新高速公路有限公司，廣西 崇左 532200；2.廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

船舶、集裝箱以及機翼的制造，是波形鋼板最早投入應用的地方，后來應用于民用建筑。瑞典的大跨度屋頂的主梁在20世紀60年代就采用了冷壓波形腹板鋼梁，日本吊梁車則是在20世紀70年代采用了波形腹板鋼梁。波形腹板鋼梁的腹板波形形狀分為正弦、三角形、矩形及梯形等斷面形式。

橋梁腹板采用波形鋼板作為材料，是Campenon Bernard公司的獨創(chuàng)。世界上應用波形鋼腹板的第一座橋梁，是法國在大量的理論分析和一系列的模型試驗研究后于1986年建成的Cognac橋，這是一座跨徑為31 m+43 m+31 m的波形鋼腹板體外預應力組合梁橋，其主梁為等截面單室箱梁，截面高度與跨度的比為1/19，波形腹板的厚度為8 mm，腹板的傾斜角為35°，其與頂、底板的接合是通過連接件進行接合的。法國隨后又逐步建成了Maupre高架橋、Asterix橋等。

當前已經完成建設、通車的波形鋼腹板預應力組合梁橋，在數量上已經超過了100座。其應用并沒有局限于一種橋跨形式，而是多樣化的、廣泛的，有簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構和斜拉橋等。梁體的截面形式也不是唯一的，多數為箱形，也有三角形。施工方法包括懸臂拼裝與澆筑、頂推和滿堂支架，以及該橋型特有的利用波形腹板先行架設的施工方法。其在各類橋型中達到的最大跨度分別是：簡支梁橋達到50 m，T形剛構橋在95 m左右，連續(xù)梁橋也已經達到142 m，連續(xù)剛構橋達到了150 m，斜拉橋達到了235 m。不論是梁式橋，還是剛構橋，都實現了多跨連續(xù)。與傳統(tǒng)的混凝土腹板箱梁相比，波形鋼腹板組合箱梁在多個方面都占有較大的優(yōu)勢，如能減少施工工程量，縮短施工工期，實現成本的降低，提高效益等。

簡支波形鋼腹板組合箱梁的快速發(fā)展和優(yōu)勢使用性，其本質上與各類力學性質密切相關?；谏鲜霰尘?，本文將圍繞簡支波形鋼腹板組合箱梁的徐變效應展開系列的分析、論述，探索其規(guī)律和特點。

1 徐變作用效應計算方法

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》附錄C中有計算公式來進行橋梁混凝土徐變系數的設計，它是一個復雜的徐變過程曲線。徐變效應與徐變系數相關，還與結構所受到的應力相關，而結構應力在收縮和徐變的作用下是不斷變化的，所以計算結構的徐變效應非常復雜。規(guī)范中有具體要求，在進行徐變效應的精確計算時應采用有限元法。[1]本文采用前文提出的收縮徐變綜合仿真方法，為便于分析，僅計算結構混凝土的徐變作用效應。

波形腹板鋼箱組合梁橋建設具有復雜的施工過程，且施工過程的每一階段都會影響結構的內力，所以必然會影響結構的徐變效應。首先加工制造開口波形腹板鋼箱梁，然后在梁廠澆筑組合梁，預制部分鋼筋混凝土橋面板，待混凝土達到一定強度后移梁存放，達到齡期后，將預制組合梁通過吊裝或架橋機安裝在橋墩上。這期間，預制梁大致在簡支狀態(tài)下承受混凝土徐變作用影響。然后就是現澆梁間的混凝土橋面板和懸臂混凝土橋面板，對于連續(xù)組合梁橋，還需進行連續(xù)端濕接縫的澆筑，進行負彎矩預應力的張拉，將結構簡支體系轉換成連續(xù)體系，即簡支變連續(xù)。這時，現澆橋面板開始了初始加載，會有明顯的徐變效應，這個階段也是對預制和現澆橋面板的一次全面加載。最后進行護欄的施工以及橋面的鋪裝，在這一階段完成之后，則需要再一次全面加載預制混凝土橋面板和現澆混凝土橋面板。

波形腹板鋼箱組合梁橋應該完全按照上述規(guī)范進行徐變效應的分析。[2]組合梁的施工過程是一個復雜的過程，因此，預制混凝土橋面板的初始加載齡期應為14 d，現澆混凝土橋面板的初始加載齡期應為30 d，其環(huán)境年平均相對濕度應為40%。

徐變效應是按照上文所闡述的方法，采用徐變仿真的方法展開模擬過程。計算時間長度為10年，簡支梁分析設置27個荷載步，連續(xù)梁分析設置36個荷載步?？紤]到混凝土加載前期的徐變效應較大而后期的相對較小，所以前期時間間隔較小，后期較大。因為波形腹板鋼箱組合梁橋具有復雜的施工階段，計算時必須區(qū)分開來。本研究中組合梁橋建設主要分為五個施工階段：組合梁預制階段、橋面板現澆階段、預應力張拉階段、體系轉換階段和三期恒載階段。其中，橋面鋪裝和護欄均以恒載的形式施加。

先建立簡支波形腹板鋼箱組合梁橋精細化的有限元模型，按規(guī)范公式計算預制混凝土板與現澆混凝土板徐變系數變化率公式中的參數，再利用荷載分布來計算簡支波形腹板鋼箱組合梁徐變效應，最后得到僅徐變作用下各時間段的結構應力和變形的狀態(tài)。通過分別對30 m、40 m和50 m跨徑的簡支波形腹板鋼箱組合梁橋進行計算，發(fā)現其規(guī)律基本相似。下面以30 m跨徑組合梁徐變效應為例進行分析。

2 有限元建模[3]

波形鋼腹板組合梁的構造和組成部分是相對復雜的，因此構件各部分元素之間的連接方式與作用關系也十分重要。有限元模型的具體實現方式如圖1所示。研究表明這種建模方式是可靠且高效的。

圖1 有限元模型示意圖

鋼梁與混凝土板的連接是依靠栓釘連接件進行的，采用長度為頂板厚度一半的剛性桿單元來模擬頂板的平截面性質，并以此固定栓釘滑移面的位置。剛性桿單元的一個節(jié)點和頂板殼單元共用，另一個節(jié)點在栓釘位置處與鋼梁上翼緣的對應節(jié)點重合。在每一對重合的節(jié)點間設置X方向的非線性彈簧來模擬栓釘的剪切變形，并使其余自由度始終保持一致。

正彎矩區(qū)段構件的體外預應力固定于橫隔板上的孔道中，但可以沿X向自由滑動。同理，負彎矩區(qū)段構件的無粘結預應力筋雖然固定于頂板上，但預應力筋可以沿X向自由滑動。因此，除預應力筋的錨固點之外，可在實際存在接觸的預應力筋節(jié)點與鋼梁、混凝土節(jié)點之間設置沿X方向的滑動約束來模擬預應力筋沿構件軸向的自由滑動，即釋放X方向的平動自由度，并使其余的自由度保持一致。

其余相連的單元均采用共用節(jié)點的方法來連接。此外，在荷載作用點及構件兩端支座處設置彈性墊塊，避免荷載作用點出現應力集中，起到讓傳力更加均勻的作用。

3 有限元分析簡支波形腹板鋼箱組合梁

3.1 預制簡支階段

當波形腹板鋼箱組合梁預制梁完成后，待混凝土達到一定強度，通常就會移梁，這時預制梁處于簡支狀態(tài)，直至橋梁架設完成，預制梁均處于簡支狀態(tài)。在這片預制梁處于簡支狀態(tài)時，其截面在梁體自重的作用下會使預制混凝土橋面板受壓，所以必然會產生徐變效應，使得鋼梁板與混凝土橋面板不斷地發(fā)生應力重分布。徐變效應使得預制混凝土橋面板開始壓縮，所以簡支預制梁就會出現下撓的現象。在徐變作用下，預制混凝土橋面板受到鋼梁的偏心受拉作用，鋼梁受到預制橋面板的偏心受壓作用。

設預制梁澆筑完成后14d移梁，存梁及架設安裝為60d，則按簡支狀態(tài)計算預制組合梁最終徐變效應如圖2所示。預制組合梁最大位移為0.53cm，徐變導致混凝土橋面板頂面的壓應力不斷減小，下降值最多為0.92MPa，位置是跨中部位的頂面，梁端部位的壓應力則會相反地增加，增加值最多為0.35MPa，但是鋼底板應力幾乎不變。

圖2 跨徑30 m的預制簡支組合梁安裝時徐變作用位移云圖

在預制梁簡支階段，因徐變引起的向下撓度相對較大，建議計算橋梁恒載作用的撓度時應予以考慮，以便于鋼梁制作時設置預拱度?；炷恋木植繎p小較多，鋼底板的應力幾乎不變，說明簡支組合梁因徐變會產生截面應力變化，但此變化不大，這可能是該組合梁的一個重要特性。見圖3。

圖3 30 m跨徑簡支組合梁預制梁安裝時在收縮作用下的橋面板頂面應力分布云圖

3.2 成橋及運營階段

圖4 30 m跨徑簡支組合梁成橋及運營階段徐變作用位移云圖

簡支波形腹板鋼箱組合梁橋的橋面板包含現澆和預制。當現澆橋面板施工完成后，整個組合梁橋的徐變作用可分為兩部分：(1)橋梁兩片預制梁上的預制橋面板在恒載作用下向中心壓縮；(2)現澆橋面板在恒載作用下壓縮。由于現澆橋面板開始受力較小，雖然其結構受載較早，相對徐變系數的發(fā)展較快，但結構徐變效應相對較小。當二期恒載施加后，預制梁體與現澆橋面板共同受力，由于此時預制橋面板的受力較大，相對現澆橋面板的徐變壓縮較大，所以預制橋面板所受的應力會逐步向現澆橋面板轉移，導致現澆橋面板總體壓力在不斷增大。

圖5 30 m跨徑簡支組合梁徐變作用位移橫斷面云圖

簡支波形腹板鋼箱組合梁建成后，兩部分混凝土橋面板按各自徐變作用進行壓縮，整體簡支組合梁必然下撓。運營10年后，因徐變作用引起組合梁下撓如圖4所示，可以看出最大撓度為1.6cm。從圖5所示的橫斷面來看，撓度最大的位置是跨中，其波形鋼腹板處的撓度則相對較小，為1.4cm，其懸臂板端最大。

從預制梁簡支階段和運營最終階段的橋面應力變化(見圖6～8)可以看出：當預制梁在簡支階段時，現澆橋面板徐變應力為零，預制橋面板已有徐變應力，而到最后預制橋面板頂面的主要應力是徐變拉應力，而現澆橋面板的主要應力是徐變壓應力，兩者存在比較明顯的相互作用的現象。在橋面板頂面處的預制板的最大拉應力為3.41MPa，在波形鋼腹板處的現澆板最大壓應力為1.49MPa，在端部及其余部分、橋面板底面均受拉，組合梁端部腹板處最大拉應力為6MPa。

圖6 30 m跨徑簡支組合梁安裝時橋面板頂面徐變應力分布云圖

圖7 30 m跨徑簡支組合梁運營10年橋面板頂面徐變應力分布云圖

不難發(fā)現，波形腹板鋼箱組合梁鋼底板的徐變應力依舊呈現變化不大的規(guī)律，這可能是波形腹板鋼箱組合梁的一個重要特點。

圖8 30 m跨徑簡支組合梁運營10年橋面板頂面橫斷面徐變應力分布云圖

4 跨度變化對收縮徐變的影響

當運營10年后，跨徑分別為30m、40m、50m的簡支波形腹板鋼箱組合梁橋的徐變作用效應如表1所示。由表1可以發(fā)現，跨徑分別為30m、40m、50m時，中跨撓度分別為3.38cm、2.65cm、3.63cm；橋面板最大壓應力分別為3.41MPa、2.20MPa、2.34MPa；橋面板最大拉應力分別為6.00MPa、5.11MPa、6.32MPa；鋼底板最大壓應力分別為0.10MPa、3.00MPa、2.20MPa；鋼底板最大拉應力分別為0.20MPa、4.10MPa、5.10MPa。分析其變化規(guī)律可以得到，隨著橋梁跨徑的增大，其因徐變作用而出現的規(guī)律為：跨中的撓度不斷地增大，混凝土橋面板的最大壓應力在減小、最大拉應力在增大；鋼底板的最大壓應力基本相當、最大拉應力在逐漸增大。

表1 30 m、40 m和50 m跨徑簡支組合梁徐變效應計算結果表

5 結語

通過上述有限元建模、有限元軟件分析及計算，可以得到簡支波形腹板鋼箱組合梁橋收縮徐變效應特點如下：

(1)通過理論、實驗算例和大型結構應用，混凝土結構收縮徐變效應綜合仿真方法是可行的，計算得到的結果是準確可靠的，計算方法非常方便、實用，適合于推廣應用。

(2)收縮作用類似于均勻降溫作用，但與施工過程相關，因此，組合梁混凝土橋面板為偏心受拉構件，鋼梁為偏心受壓構件。由于在降溫的條件下，混凝土存在收縮效應而鋼梁并不會收縮，所以組合梁的收縮效應就會很大，這應當引起注意。在進行組合結構的設計工作時，應該充分考慮該作用。

(3)徐變作用與混凝土結構受力和加載齡期密切相關，所以徐變作用受施工過程影響較大，具有明顯的時變過程特點。

(4)對于簡支波形腹板鋼箱組合梁橋，因外界條件而發(fā)生的收縮和徐變作用都會使截面的應力重新分布。同時，其對混凝土結構產生的影響比較大、對鋼底板產生的影響相對小，故而簡支梁收縮徐變位移效應較大。

(5)波形腹板鋼箱組合梁在預制階段和架設階段均會發(fā)生收縮徐變效應，引起預制梁相對較大的撓度，所以在設計、制造及施工時，需要充分考慮波形腹板鋼箱組合梁在這些階段的收縮徐變效應。