鋼-混凝土疊合板組合連續(xù)梁橋收縮徐變效應(yīng)分析

顧民杰，劉曉鑾

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

鋼-混組合梁橋是混凝土橋面板通過連接件與鋼梁組合而成的梁式橋，橋面板可以采用現(xiàn)澆、預(yù)制、組合結(jié)構(gòu)或疊合橋面板等[1-3]。其中，疊合橋面板是指在預(yù)制板上現(xiàn)澆一層混凝土，當(dāng)現(xiàn)澆混凝土硬化后兩者形成整體，并通過剪力連接件與鋼梁結(jié)合在一起，由此形成的組合梁通常被稱作鋼-混凝土疊合板組合梁[4-5]。疊合板組合梁具有節(jié)省支模工序、吊裝質(zhì)量輕、現(xiàn)場混凝土澆筑量少、綜合效益好等優(yōu)點，近年來在工業(yè)廠房、大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

混凝土收縮徐變會導(dǎo)致組合梁撓度產(chǎn)生變化，負(fù)彎矩區(qū)橋面板拉應(yīng)力和裂縫寬度增大，引起鋼梁應(yīng)力重分布，對組合梁結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響[6]。預(yù)制橋面板的收縮徐變效應(yīng)比現(xiàn)澆橋面板低，但預(yù)制板濕接縫處易發(fā)生開裂，整體工作性能不及疊合橋面板[1]。

國內(nèi)已有學(xué)者針對疊合板收縮徐變對拱橋、斜拉橋的影響進行了研究。黃瓊等[4]研究分析了大跨度拱橋疊合橋面板的徐變效應(yīng)，與現(xiàn)澆板相比，采用疊合板可以減少混凝土的收縮徐變。聶建國等[5-6]通過對大跨度組合梁斜拉橋收縮徐變效應(yīng)的分析發(fā)現(xiàn)，采用疊合板組合橋面系比預(yù)制板組合橋面系的鋼梁應(yīng)力增加10%左右。

鋼-混凝土疊合板組合連續(xù)梁橋作為一種新橋型，國內(nèi)對其收縮徐變研究較少。由于預(yù)制板對現(xiàn)澆混凝土的約束作用，使得疊合板的收縮徐變效應(yīng)與現(xiàn)澆橋面板和全預(yù)制橋面板均存在差異，準(zhǔn)確分析鋼-混凝土疊合板組合梁的收縮徐變效應(yīng)具有重要的工程價值。

1 工程概況

本文以某市快速路環(huán)線工程為工程背景，選取主線高架（40 m+55 m+40 m）鋼-混凝土疊合板組合連續(xù)梁橋作為分析對象。

主梁采用“槽型鋼梁+預(yù)制橋面板+現(xiàn)澆橋面板”組合結(jié)構(gòu)。25 m橋?qū)捰?片鋼梁組成，梁距6.0 m，鋼梁之間采用間距10.0～12.5 m的橫梁連接。梁高為2.8 m，其中鋼梁高2.5 m，橋面板厚0.3 m。橋面板采用C50低收縮混凝土，其中預(yù)制板厚0.1 m，在工廠預(yù)制完成后運輸至現(xiàn)場安裝，并作為后澆混凝土的模板。

鋼梁采用槽型斷面，鋼材采用Q345D，頂板寬度700 mm，厚度20～40 mm；底板寬度2 150 mm，厚度20～40 mm；腹板厚度16～20 mm；底板、腹板均采用Ⅰ字加勁肋。鋼梁與混凝土橋面板通過剪力連接件連接，正彎矩區(qū)采用?22×180 mm圓柱頭焊釘，負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪連接件，型號為M22×170-D60-T15，以解決負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂問題[7]。

組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1。

圖1 組合梁橫斷面布置圖（單位：mm）

2 組合連續(xù)梁收縮徐變效應(yīng)的分析方法

混凝土的收縮徐變具有較大的離散性，混凝土橋的長期性能表現(xiàn)出隨機性，經(jīng)典的收縮徐變計算模型也具有不確定性[8-10]，主要有有效彈性模量法（EMM）、徐變率法（RCM）、彈性徐變理論（疊加法）、流動率法（RFM）以及按齡期調(diào)整的有效彈性模量法（AEMM）等[11-12]。隨著有限元分析方法和計算機技術(shù)的發(fā)展，混凝土的收縮、徐變已能采用更逼近實際的數(shù)值模擬方法，我國設(shè)計規(guī)范也推薦采用有限元方法來計算組合連續(xù)梁橋的收縮徐變效應(yīng)[2]。

2.1 收縮應(yīng)變的計算

混凝土的收縮應(yīng)變與其應(yīng)力無關(guān)，是與時間有關(guān)的函數(shù)。我國公路橋梁規(guī)范基于《CEB-FIP模式規(guī)范》的收縮應(yīng)變預(yù)測模型，給出的收縮應(yīng)變計算公式為[2]：

式中：εcs0為名義收縮系數(shù)；εcs（t，ts）是收縮開始齡期為ts，計算齡期為t時的收縮應(yīng)變；βs（t-ts）為收縮隨時間發(fā)展的系數(shù)；εs（fcm）為與混凝土抗壓強度相關(guān)的系數(shù)，fcm為強度等級C25～C50混凝土在28 d齡期時的平均圓柱體抗壓強度（MPa）；βRH為與年平均相對溫度有關(guān)的系數(shù)；t1=1 d；h為構(gòu)件理論厚度，h0=100 mm。

2.2 徐變系數(shù)的計算

混凝土的徐變是在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，也是隨時間發(fā)展的函數(shù)。我國公路橋梁規(guī)范采用的混凝土徐變系數(shù)計算公式為[2]：

式中：?0為名義徐變系數(shù)；?（t，t0）是齡期為t時的徐變系數(shù)；βc（t-t0）為徐變隨時間發(fā)展的函數(shù)；β（fcm）為與混凝土抗壓強度相關(guān)的系數(shù)；fcm0=10 MPa；?RH為與年平均相對濕度有關(guān)的系數(shù)；RH為環(huán)境年平均相對濕度（%），RH0=100%；fcm、h和h0意義同式（2）、式（3）。

3 疊合板應(yīng)力重分布分析

3.1 有限元模型

根據(jù)上述混凝土收縮徐變模型，采用Midas/Civil建立鋼-混凝土疊合板組合連續(xù)梁橋的空間有限元模型（見圖2），分析收縮徐變對疊合板組合連續(xù)梁橋長期受力性能的影響。對比建立2種模型：

（1）現(xiàn)澆板模型：鋼主梁、混凝土后澆層通過雙層梁單元模擬，鋼梁節(jié)點與橋面板節(jié)點采用彈性連接模擬，混凝土后澆層厚度為20 cm。預(yù)制板僅考慮其施工模板作用，不考慮預(yù)制板與鋼梁、現(xiàn)澆層之間的結(jié)合作用。預(yù)制板自重和后澆層濕重以均布荷載施加在鋼主梁上。

（2）疊合板模型：鋼主梁、預(yù)制板和混凝土后澆層采用3層梁單元模擬，預(yù)制板和現(xiàn)澆板的加載齡期分別按180 d和3 d進行計算。

施工過程模擬：（1）架設(shè)鋼梁；（2）施加預(yù)制板和后澆層混凝土濕重；（3）激活橋面板單元（現(xiàn)澆板模型為激活現(xiàn)澆板單元，疊合板模型為激活預(yù)制板和現(xiàn)澆板雙層單元）；（4）施加二期恒載；（5）10 a收縮徐變。

3.2 成橋撓度分析

組合梁梁橋成橋10 a前后的撓度結(jié)果見圖3。

圖3 組合梁主梁成橋10 a前后撓度圖

由圖3可以看出：因混凝土收縮徐變導(dǎo)致組合梁邊跨撓度逐漸增加，中跨撓度逐漸減?。化B合板模型邊跨撓度增加量（8.0 mm）略大于現(xiàn)澆板模型（7.2 mm），中跨撓度減小量（4.5 mm）略小于現(xiàn)澆板模型（4.9 mm），兩者撓度變化趨勢基本一致。

3.3 橋面板應(yīng)力分析

計算成橋10 a前后橋面板應(yīng)力，結(jié)果如表1所示，其中正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。

由表1可知：混凝土收縮徐變引起橋面板產(chǎn)生拉應(yīng)力，現(xiàn)澆板組合梁橋面板收縮徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力為2.90～3.23 MPa，疊合板組合梁橋面板拉應(yīng)力為2.59～2.80 MPa；疊合板拉應(yīng)力約是現(xiàn)澆板的0.82～0.97倍，應(yīng)力值前者比后者低0.3 MPa左右。這是因為預(yù)制板上橋時齡期已有半年左右，混凝土收縮徐變超過50%，預(yù)制板對后澆混凝土層的收縮徐變產(chǎn)生了“抑制”作用，說明采用疊合板組合梁可以減少混凝土的收縮徐變[4]。

表1 橋面板應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MP a

3.4 鋼梁應(yīng)力分析

計算成橋10 a前后鋼梁應(yīng)力，結(jié)果如表2所示，其中正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。

表2 鋼梁應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MP a

由表2可知，混凝土收縮徐變對鋼梁應(yīng)力影響較為顯著，引起全橋鋼梁產(chǎn)生壓應(yīng)力，支點下緣和跨中上緣壓應(yīng)力增大，支點上緣和跨中下緣拉應(yīng)力減小。對于關(guān)鍵支點上下緣截面，在成橋10 a前后疊合板組合梁鋼梁應(yīng)力約是現(xiàn)澆板組合梁的0.80～0.94倍，疊合板組合梁的鋼梁應(yīng)力值較低。

4 結(jié)語

（1）對于鋼-混凝土疊合板組合連續(xù)梁橋，由于預(yù)制板和現(xiàn)澆板齡期不同，在混凝土發(fā)生收縮徐變后，預(yù)制板、現(xiàn)澆板和鋼梁之間會發(fā)生應(yīng)力重分布。

（2）疊合板模型與現(xiàn)澆板模型相比，對于支點關(guān)鍵截面，混凝土收縮徐變產(chǎn)生的橋面板應(yīng)力約是現(xiàn)澆板的0.82～0.97倍，鋼梁應(yīng)力前者約是后者的0.80～0.94倍，疊合板模型的橋面板和鋼梁應(yīng)力均比現(xiàn)澆板模型低。

（3）現(xiàn)澆板模型的應(yīng)力值較大，但建模比疊合板模型方便，因此在進行鋼-混凝土疊合板組合梁橋受力分析時，偏保守可以不考慮預(yù)制板的疊合作用，采用后澆混凝土層和鋼梁組合的現(xiàn)澆板模型進行計算。