連續(xù)鋼-混工字組合梁橋收縮徐變效應(yīng)研究

馬海龍

（河北首都新機場高速公路開發(fā)有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)的收縮徐變是指在結(jié)構(gòu)成型后，隨著時間的增加，在一期自重、二期鋪裝等荷載效應(yīng)下，混凝土材料發(fā)生了體積形變，應(yīng)力逐漸向鋼梁集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力重分布的現(xiàn)象。長期荷載作用下，構(gòu)件的收縮徐變效應(yīng)不僅會使構(gòu)件形狀發(fā)生變化，還會增大混凝土橋面板的內(nèi)外溫差，降低橋面板應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的運營影響不可忽略。目前，混凝土收縮徐變在實際工程應(yīng)用中通常采用應(yīng)變、位移等參數(shù)來表征。

關(guān)于收縮徐變的相關(guān)研究，學(xué)者們關(guān)注較多的內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：（1）特殊材料對混凝土收縮徐變的影響[1-3]。（2）橋梁施工流程對結(jié)構(gòu)收縮徐變的影響[4-6]。（3）環(huán)境、構(gòu)件尺寸等因素對混凝土橋面板收縮徐變效應(yīng)的影響[7-9]。（4）各類型橋梁的收縮徐變計算公式研究[10-13]。研究主要針對普通鋼筋混凝土橋梁或剛構(gòu)橋，對于鋼-混組合梁橋尤其是連續(xù)鋼-混組合梁橋研究較少，特別是很少涉及組合梁橋計算的規(guī)范匹配度問題。因此，本文以某連續(xù)鋼-混工字組合梁橋為背景，對其最佳使用規(guī)范和收縮徐變效應(yīng)展開研究。

1 工程概況

該橋為標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m的3跨連續(xù)鋼-混工字組合梁橋，橋?qū)挒閮?15.6+2×0.5m防撞護欄，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。上部結(jié)構(gòu)由5片工字鋼主梁聯(lián)結(jié)組成，鋼主梁之間通過橫梁加強橫向聯(lián)系，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為5.0m，鋼梁和橋面板間采用剪力栓釘進行連接。橋梁縱斷面布置見圖1。

圖1 橋梁縱斷面布置（單位：mm）

2 收縮徐變試驗

2.1 試驗梁制作

制作2根室內(nèi)縮尺試驗梁，分別將其編號為CLB-1和CLB-2。試驗梁橋面板全長6.08m，板寬1.4m，厚0.13m，全梁采用C50纖維混凝土。工字鋼梁高0.64m，寬0.15m，鋼梁翼緣厚度為0.016m，采用Q345qE鋼材。橋面板與工字鋼梁間采用間距為200mm的M16剪力栓釘進行連接，連接栓釘與鋼梁采用焊接處理。試驗梁縱向布置圖見圖2。

圖2 試驗梁縱向布置圖（單位：mm）

2.2 試驗測點布置

參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2015）[14]結(jié)合試驗現(xiàn)場條件，選取試驗梁跨中截面、1/4跨截面以及試驗梁支座截面作為控制截面進行試驗測量，測量內(nèi)容主要包括橋面板混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變以及構(gòu)件撓度等。測點分布如下：

（1）應(yīng)變測點：分別采用10AA和60AA的應(yīng)變片進行混凝土的應(yīng)變測量，試驗過程中，采用相同規(guī)格應(yīng)變片制作溫度補償片，減少溫度改變造成的試驗誤差。

（2）撓度測點：試驗采用千分表和撓度計進行撓度測量，測量過程中間隔幾分鐘做二次測量，取均值用以降低試驗誤差。

試驗梁測點布置圖見圖3。

圖3 試驗梁測點布置圖（單位：mm）

2.3 試驗梁加載

采用1/2正常使用狀態(tài)荷載值進行試驗加載，測試齡期分別為7d、30d、185d、365d，觀察試驗加載過程中構(gòu)件各控制截面的撓度、應(yīng)變數(shù)值變化，分析混凝土收縮徐變對構(gòu)件受力性能的影響[15]。試驗加載照片見圖4。

圖4 試驗加載照片

2.4 試驗結(jié)果分析

測得CLB-1和CLB-2試驗梁各控制截面的撓度值及混凝土應(yīng)變值，其中試驗梁各控制截面撓度值見表1，試驗梁各控制截面混凝土應(yīng)力值見表2。

表1 試驗梁各控制截面撓度值

表2 試驗梁各控制截面混凝土應(yīng)力值

由表1和表2可知，實驗過程中，隨著加載齡期的增大，各截面撓度值和混凝土應(yīng)力值也越來越大，0～7d時變化最為劇烈，7～365d時增長速度有減緩趨勢，減小幅度約為30%左右。其中，跨中截面處的撓度值和混凝土應(yīng)力值變化最大，365d最大撓度值為3.21mm，約為齡期7d時撓度值的2.3倍；最大應(yīng)力值為1.57MPa，約為初始加載應(yīng)力值（7d）的2.5倍，變化幅度較大。

由此可見，構(gòu)件在加載齡期為365d時，混凝土收縮徐變?nèi)蕴幱诩眲∽兓臓顟B(tài)，具體趨勢尚不明顯，限于試驗條件，將采用有限元模擬的方式對其做進一步分析。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

結(jié)合試驗梁尺寸布置及構(gòu)造特點，運用MidasFEA建立有限元模型。其中混凝土橋面板和鋼梁模擬均采用實體單元，內(nèi)部鋼筋采用桿系單元，連接部位的栓釘采用桁架單元，劃分單元的尺寸間距為20mm。試驗梁有限元模型見圖5。

圖5 試驗梁有限元模型

3.2 分析截面選取

模型分析中主要針對的數(shù)據(jù)取自以下幾個截面位置，分析選取截面示意圖見圖6。從梁的最左側(cè)開始，分別量取的間距依次為0m、0.76m、1.52m、2.28m、3.04m、3.8m、4.56m、5.32m及6.08m作為主要截面獲取計算數(shù)據(jù)。

圖6 分析選取截面示意圖

3.3 有限元模型計算結(jié)果

3.3.1 各國規(guī)范比較分析

由于地理位置、環(huán)境因素等的不同影響，各國對混凝土收縮徐變的計算模式差異較大，目前尚未有較為統(tǒng)一的計算模型。MidasFEA中的收縮徐變相關(guān)規(guī)范包括中國規(guī)范、歐洲規(guī)范、韓國規(guī)范、美國規(guī)范和日本規(guī)范等，針對這些規(guī)范，對有限元模型進行加載荷載，荷載條件和邊界條件施加皆與試驗梁相同，考慮收縮徐變齡期為1年，計算得出不同國家規(guī)范下試驗梁各控制截面的撓度，運用曲線擬合的方法將不同國家規(guī)范計算出的撓度值與試驗測量值進行對比，撓度曲線對比結(jié)果見圖7。

由圖7可知，針對連續(xù)鋼-混工字組合結(jié)構(gòu)，各國規(guī)范計算出的撓度值變化趨勢大致相同，在支撐截面處撓度最小，跨中截面撓度最大。截面撓度值整體分布規(guī)律為：中國規(guī)范＞美國規(guī)范＞歐洲規(guī)范＞日本規(guī)范＞韓國規(guī)范，其中，中國規(guī)范的跨中最大撓度值為3.3mm，韓國規(guī)范的最大撓度值為0.49mm，占比為中國規(guī)范的15%，而中國規(guī)范的計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為相近，比試驗結(jié)果略大，因此，采用中國規(guī)范進行收縮徐變的結(jié)構(gòu)計算，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計是最為安全可靠的。

圖7 撓度曲線對比結(jié)果

3.3.2 收縮徐變效應(yīng)分析

依據(jù)中國《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD60—2015）提供的計算方法，對組合梁的收縮徐變效應(yīng)做進一步研究。設(shè)置混凝土徐變齡期分別為7d、30d、365d、10950d（30年）以及21900d（60年）。限于篇幅，以跨中截面和1/4跨截面為例，在不同收縮徐變齡期下，計算得出構(gòu)件控制截面撓度值見表3，構(gòu)件控制截面橋面板混凝土應(yīng)力值見表4。

表3 構(gòu)件控制截面撓度值

表4 構(gòu)件控制截面橋面板混凝土應(yīng)力值

由表3和表4可知，隨著加載齡期的增長，構(gòu)件各截面的收縮徐變撓度值越來越大，在加載齡期達到10年時，截面撓度達到最大，此后構(gòu)件撓度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大撓度值位于跨中截面（5.13mm），是加載齡期為30d時撓度值的2.4倍。而橋面板混凝土應(yīng)力值變化趨勢與其大不相同，隨著時間的增加，應(yīng)力值一直持續(xù)增長，增長趨勢雖略有放緩，但并未達到平穩(wěn)變化的跡象，齡期為21900d（60年）時應(yīng)力值最大（2.71MPa），且位于模型跨中截面，相比混凝土抗拉設(shè)計強度（3.5MPa），該構(gòu)件仍處于安全可靠的狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文以某連續(xù)鋼-混工字組合梁橋為背景，設(shè)計了兩根室內(nèi)縮尺試驗梁，分別進行了室內(nèi)加載試驗，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元分析研究了構(gòu)件的收縮徐變效應(yīng)。得出結(jié)論如下：

（1）加載齡期為0～7d時，構(gòu)件跨中截面的混凝土收縮徐變效應(yīng)的變化最大，后期隨著時間的增長，其變化的幅值逐漸減小。

（2）對比各國規(guī)范的收縮徐變計算模型，其計算結(jié)果由大到小順序為：中國規(guī)范、美國規(guī)范、歐洲規(guī)范、日本規(guī)范、韓國規(guī)范。韓國規(guī)范計算值約為中國規(guī)范的15%。因此，采用中國規(guī)范進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算是最安全的。

（3）構(gòu)件撓度值隨收縮徐變齡期的增長越來越大，當(dāng)齡期達到10年時，撓度值逐漸趨于穩(wěn)定。構(gòu)件應(yīng)力值則處于長期增長的狀態(tài)，但增長幅度逐漸減小，不影響結(jié)構(gòu)的正常受力。