预应力连续箱梁桥混凝土收缩徐变效应

韩树亮，汪　莲

预应力连续箱梁桥混凝土收缩徐变效应

韩树亮，汪莲

（合肥工业大学 土木与水利工程学院 合肥 230009）

混凝土收缩徐变效应对桥梁结构内力以及线形产生不可忽视的影响。混凝土收缩徐变机理复杂，影响因素多，随机变化量大，它对结构性能的影响至今难以得到精确的解答。文章以某改建连续箱梁桥为工程背景，通过建立有限元模型，模拟分析了预应力混凝土连续箱梁桥在成桥阶段和若干年后的收缩徐变效应，经过理论计算，得出混凝土收缩徐变对结构内力、线形的影响规律,期望能为同类桥梁的设计和施工提供参考。

混凝土收缩徐变；连续箱梁桥；有限元分析

0　前 言

混凝土是建筑结构中不可或缺的材料，它的性质会随着时间产生一定的变形，这种变形主要分为收缩和徐变两类。其中，收缩变形的大小不受荷载作用的影响；徐变变形由荷载作用引起。收缩效应和徐变效应是混凝土粘弹性的基本特征[1]。

1　混凝土收缩徐变的基本内容及作用原理

1.1混凝土的收缩

混凝土的收缩作用对桥梁内力的影响很大，混凝土的收缩是由于一系列的物理化学变化造成的，这种变形不依赖于荷载而与仅与时间有关[2-4]。在混凝土凝结初期，收缩的主要原因是水化物在水化过程中的体积变化，凝结后期主要是由于混凝土内水分蒸发而引起的干缩。混凝土的材料构成和配合比设计都是影响混凝土收缩的重要因素。其他影响因素还包括化学反应、温度变化和水分蒸发等。如果混凝土结构在收缩过程中不受到约束，称为混凝土的自由收缩，不会产生温度应力。但是在实际结构中，混凝土的收缩变化往往处于各种约束之下，因而会产生较大的拉应力。混凝土收缩主要分为：干燥收缩，塑性收缩，自身收缩及碳化收缩[5]。

由于收缩变形产生的内力相比于其他作用的内力在静定结构中影响微小，所以在连续梁桥计算时可忽略收缩产生的内力，主要考虑混凝土在干燥收缩后的变位。通过一系列的理论计算，再结合实践经验，我们发现混凝土的干缩应变与混凝土单位体积上的含水量是成正比的[6]。

1.2混凝土的徐变

在持续荷载作用下，混凝土的应变会随着时间不断增加，我们把这种现象叫做混凝土的徐变[7]。徐变分为基本徐变和干燥徐变两种。基本徐变不考虑水分变化，而干燥徐变主要考虑混凝土水分变化。对于预应力结构而言，由于混凝土的徐变效应，会造成预应力松弛现象，对结构产生的不利影响。影响主要因素包括混凝土配合比，构件的尺寸大小和所处的环境条件等[8]。实践表明，在持续荷载作用下，徐变开始时发展较快，后期减慢。卸载后，变形可以分为三部分，即瞬间变形，徐变变形，和残余变形[9-10]。

由于收缩、徐变紧密相关，影响混凝土收缩的同时在很多方面也是影响混凝土徐变，在研究分析中两者均可以采用相似的应变方程。因此，针对预应力混凝土连续箱梁桥，文章将收缩、徐变效应同时进行研究。

2　工程背景

2.1工程概况

某工程为一旧桥改建项目，是连接城市核心的重要通道，呈南北走向，全长约1.951 km，主桥为（62.5+105+62.5）m变截面悬浇连续箱梁。主桥上部结构采用三跨单箱单室变截面直腹板连续箱梁。箱体顶板宽14 m，厚0.28 m，设1.5%的单向横坡；底板宽7.6 m，厚度由跨中的0.3 m按二次抛物线变化至距主墩中心3.75 m处的0.8 m，横桥向底板保持水平；跨中梁高2.5 m，箱梁根部梁高6.5 m，箱梁梁高按2.0次抛物线变化；腹板厚度0～4号块为0.90 m，6～9号块为0.75 m，11～15号块为0.6 m，在5号块范围内由0.90 m按直线变化到0.75 m，在10号块范围内由0.75 m按直线变化到0.60 m；翼缘板悬臂长为3.19 m，端部厚0.22 m，根部厚0.9 m。桥梁立面构造如图1所示。

图1　桥梁立面图

2.2有限元模型建立

桥梁采用悬臂法施工，全桥共有14个悬臂节段块，合拢段长度为2 m。本桥通过Midas/Civil有限元软件模拟连续梁桥悬臂施工过程，通过软件模拟，对模型中连续梁桥采用梁单元进行分析，全桥划分为78个梁单元，每个节段块作为一个单独的梁单元。桥梁有限元模型如图2所示。

图2　桥梁有限元模型

2.3边界条件及荷载组合

边界条件的处理一般是随着施工的进程而时刻变化的。0#块施工是在临时支架上完成的，所以0#块的边界是通过约束Z方向的线位移来实现。在悬臂施工阶段，支架会被拆除，由钢管和临时固结来支撑上部结构。而桥梁在完成体系转化后，整个桥梁上部结构落在主墩上，此时上部结构和桥墩之间就是通过铰接连接，它允许在顺桥向平面内转动。本文拟分析比对成桥初期以及10年徐变后的应力组合的影响效应，控制工况均为：自重+二期恒载+汽车+人群。其中结构混凝土容重取值为26 kN/m³, 二期恒载取17.9 kN/m²，汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》采用公路-Ⅱ级，行车道数取2车道，横向折减系数为1.0，人群荷载取值为2.5 kN/m²。

3　收缩徐变对桥梁结构的影响

3.1对内力的影响

在成桥阶段依照现行规范规定，对模型施加3650天的荷载作用，考虑结构自重、二期恒载等敏感性参数。对比3650天徐变前后的结构内力，运用MIDAS软件分析得出结果，如图3、图4所示。

图3　徐变前结构弯矩图

图4　3650天徐变后结构弯矩图

由图3、图4可以看出经过十年的收缩徐变效应主梁的内力分布规律基本一致。现选取桥梁全部节点在作用前后内力对比状况，如图5所示。主梁经过3650天收缩徐变作用后，桥墩两侧主梁上的负弯矩明显增大，用徐变后的数值减去徐变前的数值，可以得到收缩徐变对整个主梁弯矩的影响，如图6所示。

图5　3650 天收缩徐变前后弯矩对比

图6　3650天收缩徐变前后弯矩差值

由图5、图6可以分析得出，在成桥经过3650天收缩徐变后，桥墩两侧主梁内力发生了极大变化，在桥墩两侧产生的负弯矩达到了约-140000 kN∙m，徐变前后内力最大差值为86000 kN∙m，比徐变前的内力增大了约159%。

3.2对线形的影响

在成桥阶段依照现行规范规定，对模型施加3650天的荷载作用，考虑结构自重、二期恒载等敏感性参数。对比3650天徐变前后的结构位移，运用MIDAS软件分析得出结果，如图7、图8所示。

图7　成桥结构位移图

图8　3650天徐变后结构位移图

由图7、图8可以看出，经过十年的收缩徐变效应主梁节点的位移变化规律基本一致。现选取全桥梁节点在作用前后位移对比状况，如图9所示。主梁经过十年的徐变作用后，可以看出主梁中跨合拢段竖向位移较大，桥墩附近节点位移微小。用徐变后的数值减去徐变前的数值，可得到收缩徐变对整个主梁挠度的影响，如图10所示。

图9　3650天收缩徐变前后位移对比

图10　3650天收缩徐变前后位移差值

由图9、图10数据分析可知，在成桥经过3650天收缩徐变后，桥墩位移沉降1 mm，主梁中跨挠度沉降49 mm，并且发现桥墩附近边跨略微上翘约4 mm。

4　结论

（1）经过3650天收缩徐变作用后，连续梁箱梁截面上的负弯矩增大，弯矩变化最大位置出现在悬臂梁的根部。主梁上最大应力值出现在桥墩附近，是成桥初期的1.59倍。

（2）经过3650天收缩徐变作用后，桥梁中跨合拢段附近梁体的挠度变化最大，梁体其他部分出现不同程度下挠，相比成桥阶段发生了较大的变化。因此在实际的施工控制中，必须考虑收缩徐变的影响。

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The Effect of Concrete Shrinkage and Creep on Prestressed Continuous Box Girder Bridge

HAN Shuliang, WANG Lian
(Civil and Hydraulic Engineering ,Hefei University of Technology, Hefei,230009,China)

The effect that the concrete shrinkage and creep has n the internal forces and lineshape of the bridge structure can never be ignored. The mechanism is very complicated, and there are many factors with random variation, therefore, so far it is difficult to determine the accurate impactt that the concrete shrinkage and creep may have on structural performance Based on an rebuilt continuous girder bridge, this paper aims at a simulation analysis the concrete shrinkage and creep effects of pretested concrete continuous box girder bridges at completion stage and some years later by building the finite element model. The influence of concrete shrinkage and creep on internal force and lineshape is obtained after theoretical calculation, and it is hoped to provide a reference for the design and construction of similar bridges.

Concrete shrinkage and creep; continuous girder bridge; finite element analysis.

U441

A

2095-8382(2016)03-032-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160307

2015-10-12

韩树亮（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为城市道路与桥梁工程。