某連續(xù)梁橋運營期收縮徐變的影響分析

段傳武

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

橋梁建設(shè)中采用的混凝土屬于一種黏彈性材料，收縮徐變效應(yīng)是其本身固有的特性。收縮是混凝土在空氣中凝固時發(fā)生的體積慢慢縮小的一種現(xiàn)象，是在非應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的，是一種和應(yīng)力無關(guān)的自發(fā)的變形。而徐變是指混凝土構(gòu)件在長期不變的荷載作用下，應(yīng)變隨著時間的增長具有持續(xù)增長的特性。徐變變形是在持續(xù)荷載作用下發(fā)生的，即由應(yīng)力引起的。混凝土收縮徐變的影響因素主要為混凝土自身因素（水泥用量、水灰比、骨料性質(zhì)等）、環(huán)境因素（相對空氣濕度、環(huán)境溫度、養(yǎng)護條件等）及混凝土受力情況（混凝土的加載齡期、持荷時間、應(yīng)力大小等）[1-2]。對于橋梁結(jié)構(gòu)來說，混凝土收縮徐變形成的主要影響包括：導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失；導(dǎo)致橋梁主梁撓度增大；導(dǎo)致超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布；導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)外表面產(chǎn)生局部裂縫等。

1 有限元模型的建立

以某四跨一聯(lián)連續(xù)梁橋為實際工程背景，根據(jù)設(shè)計施工步驟，利用有限元軟件Midas Civil 建立了全橋模型，如圖1 所示。該橋梁有限元模型主要包括橋墩、主梁、預(yù)應(yīng)力鋼束，全橋共分116 個單元，122 個節(jié)點。該文采用梁單元模擬，對節(jié)段拼裝連續(xù)梁橋運營階段的收縮徐變效應(yīng)進行理論分析。

圖1 邁達(dá)斯有限元模型

2 運營期收縮徐變對結(jié)構(gòu)變形的影響

2.1 收縮徐變對主梁撓度的影響

計算得到在成橋時及成橋后1 年、3 年、10 年由收縮徐變引起的主梁撓度值如表1 所示。撓度以向上為正，向下為負(fù)。

表1 由收縮徐變產(chǎn)生的跨中撓度 /mm

由表1 數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在收縮徐變作用下，主梁各跨均產(chǎn)生向上的撓度。在橋梁運營期，隨著時間的增加，由收縮徐變產(chǎn)生的主梁撓度逐漸增加。邊跨在成橋時跨中撓度為11.2 mm，成橋三年時為19.0 mm，增加了7.8 mm；成橋十年時為21.4 mm，增加了10.2 mm，成橋十年時是成橋時的1.8 倍。中跨在成橋時跨中撓度為7.3 mm，成橋三年時為14.1 mm，增加了6.8 mm；成橋十年時為15.6 mm，增加了8.3 mm，成橋十年時是成橋時的2.2 倍。由此可見收縮徐變對于連續(xù)梁橋的主梁變形影響較大，在設(shè)計和施工都必須充分考慮，并正確設(shè)置預(yù)拱度[3-4]。

（2）同時還可以看出，收縮徐變的影響值在前三年的增長速率最快，從成橋三年到成橋十年之間，收縮徐變的影響值變化幅度較小，即收縮徐變主要發(fā)生在前三年。

2.2 收縮徐變對墩頂位移的影響

計算得到在成橋時及成橋后1 年、3 年、10 年由收縮徐變引起的1 號墩、2 號墩、3 號墩墩頂位移值如表2所示。水平位移以向右為正，向左為負(fù)。

表2 由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂位移 /mm

由表2 數(shù)據(jù)可知：

邊墩、次邊墩墩頂在混凝土收縮徐變的作用下向中墩偏移。隨著時間的增加，由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂位移量逐漸增加。邊墩在成橋時墩頂位移為4.7 mm，成橋三年時為13.1 mm，增加了8.4 mm；成橋十年時為16.0 mm，增加了11.3 mm，成橋十年時是成橋時的3.4 倍。次邊墩在成橋時墩頂位移為4.4 mm，成橋三年時為9.2 mm，增加了4.8 mm；成橋十年時為10.7 mm，增加了6.3 mm，成橋十年時是成橋時的2.4 倍。同樣也能看出收縮徐變主要發(fā)生在前三年，因此混凝土的收縮徐變對于連續(xù)梁橋的墩頂位移影響也較大[5-6]。

3 運營期收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

3.1 收縮徐變對主梁內(nèi)力的影響

3.1.1 主梁彎矩

計算得到主梁各控制截面在成橋、成橋一年、成橋三年、成橋十年由收縮徐變產(chǎn)生的彎矩值如表3 所示。1號墩墩頂梁段單元號為1、2，第一跨跨中單元號為11，2 號墩墩頂梁段單元號為21、22，第二跨跨中單元號為32，3 號墩墩頂梁段單元號為43、44，第三跨跨中單元號為55，4 號墩墩頂梁段單元號為65、66，第四跨跨中單元號為77，5 號墩墩頂梁段單元號為85、86。

表3 主梁控制截面彎矩值 /kN·m

由表3 數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在成橋后四個不同階段，由混凝土的收縮徐變產(chǎn)生的主梁彎矩整體分布是相似的，而且各個階段主梁彎矩均為正彎矩。

（2）從成橋到成橋十年，主梁各控制截面由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的彎矩值都是隨著時間遞增的。成橋十年時主梁由收縮徐變產(chǎn)生的最大彎矩為5 260.8 kN·m，出現(xiàn)在兩個次邊墩墩頂截面處。由此可以看出混凝土的收縮徐變對連續(xù)梁橋的主梁彎矩影響較大。

3.1.2 主梁軸力

計算得到主梁各控制截面在成橋、成橋一年、成橋三年、成橋十年由收縮徐變產(chǎn)生的軸力值如表4 所示。軸力以拉力為正，壓力為負(fù)。

表4 主梁控制截面軸力值 /kN

由表4 數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在四個不同的階段，由收縮徐變產(chǎn)生的主梁軸力整體分布是相似的，邊跨的軸力值都小于中跨的軸力值，而且各階段主梁軸力均為正值，即都為軸壓力。

（2）從成橋到成橋十年，邊跨、中跨由收縮徐變產(chǎn)生的軸力值都是隨著時間遞增的。成橋時邊跨軸力值為110.0 kN，成橋三年時為295.1 kN，增加了185.1 kN；成橋十年時為370.2 kN，增加了260.2 kN，成橋十年時是成橋時的3.4 倍。中跨在成橋時墩頂位移為230.4 kN，成橋三年時為633.7 kN，增加了403.3 kN；成橋十年時為827.8 kN，增加了597.4 kN，成橋十年時是成橋時的3.6倍?？梢钥闯鍪湛s徐變對于連續(xù)梁橋的主梁軸力影響較大[7-8]。

3.2 收縮徐變對橋墩內(nèi)力的影響

（1）墩頂彎矩，計算得到由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂彎矩如表5 所示。

表5 由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂彎矩 /(kN·m)

由表5 數(shù)據(jù)可知：

在橋梁運營期間，隨著時間的增加，各橋墩由混凝土的收縮徐變產(chǎn)生的墩頂彎矩都逐漸增加。成橋十年時邊墩墩頂彎矩是成橋時的3.3 倍。成橋十年時次邊墩墩頂彎矩是成橋時的3.9 倍?？梢娛湛s徐變對于連續(xù)梁橋各墩墩頂彎矩的影響較大，且對次邊墩墩頂彎矩的影響最為明顯。

（2）墩頂剪力。計算得到由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂剪力如表6 所示。

表6 由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂剪力 /kN

由表6 數(shù)據(jù)可知：

在橋梁運營期間，隨著時間的增加，各橋墩由收縮徐變產(chǎn)生的墩頂剪力都逐漸增加。成橋十年時邊墩墩頂剪力是成橋時的3.4 倍。成橋十年時次邊墩墩頂剪力是成橋時的3.8 倍?？梢娛湛s徐變對于連續(xù)梁橋各墩墩頂剪力的影響也較大，且對次邊墩墩頂剪力的影響最為明顯。同時由上述的幾個倍數(shù)可以看出，收縮徐變對橋墩墩頂彎矩、墩頂剪力的影響程度基本相同。

4 運營期收縮徐變對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

計算得到主梁各控制截面在成橋、成橋一年、成橋三年、成橋十年由收縮徐變產(chǎn)生的主梁上、下緣應(yīng)力如表7~8 所示。

表7 各主梁主要截面上緣應(yīng)力 /MPa

表8 各主梁主要截面下緣應(yīng)力 /MPa

由表7~8 主梁上、下緣應(yīng)力計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

在橋梁運營期間，由收縮徐變產(chǎn)生的主梁上緣應(yīng)力為壓應(yīng)力，主梁下緣應(yīng)力為拉應(yīng)力，而且隨著時間的增加，由收縮徐變產(chǎn)生的主梁上緣壓應(yīng)力、下緣拉應(yīng)力都逐漸增加，也就是說混凝土的收縮徐變會使得主梁的上緣壓應(yīng)力隨時間增長不斷地增大，下緣壓應(yīng)力隨時間增長不斷地減小[9]。

5 結(jié)語

該文分析了收縮徐變對節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁橋內(nèi)力、變形的影響，可以看出，混凝土的收縮徐變對于預(yù)制節(jié)段拼裝連續(xù)梁橋的內(nèi)力、變形影響較大，在橋梁設(shè)計和施工階段都必須充分考慮，并合理地設(shè)置預(yù)拱度。同時還可以看出，收縮徐變主要發(fā)生在成橋之后的前三年?；炷潦湛s徐變對超靜定連續(xù)梁橋的影響從橋梁的施工階段一直持續(xù)到運營階段，因此收縮徐變是混凝土連續(xù)梁橋建設(shè)過程中必須高度重視的一個問題，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計、施工過程中采取相應(yīng)的方法和措施來減小收縮徐變的不利影響，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。在該文的建模計算過程中沒有考慮所配置的普通鋼筋的影響。當(dāng)前，有關(guān)普通鋼筋對混凝土收縮徐變影響的研究還不夠深入，今后有必要加強構(gòu)件配筋對混凝土收縮徐變影響的研究。