不同齡期混凝土收縮徐變對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響

劉沐宇， 程 濤

(武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070)

近年來(lái)，由于鋼-混凝土結(jié)合梁具有自重輕、強(qiáng)度高、剛度大等特點(diǎn)，在我國(guó)橋梁建設(shè)的應(yīng)用中日趨廣泛[1]。在建的武漢二七長(zhǎng)江大橋是主梁采用鋼結(jié)構(gòu)，橋面板為混凝土結(jié)構(gòu)，主梁與橋面板用剪力件連接的世界上最大跨度的三塔結(jié)合梁斜拉橋。鋼-混凝土結(jié)合梁是由性質(zhì)不同的兩種材料結(jié)合在一起的整體結(jié)構(gòu),由于混凝土的收縮徐變影響,將在鋼和混凝土的結(jié)合面上產(chǎn)生相互作用力,導(dǎo)致內(nèi)力重分布，并致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的附加變形[2]?；炷潦湛s徐變是隨時(shí)間變化的，導(dǎo)致不同齡期的混凝土引起的效應(yīng)有很大的區(qū)別，很多結(jié)合梁橋?yàn)榱朔乐够炷潦湛s徐變產(chǎn)生過(guò)大的撓度和應(yīng)力變化，采用將預(yù)制混凝土板放置若干時(shí)間再進(jìn)行架設(shè)的方法。因此，研究不同齡期混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)合梁斜拉橋的影響效應(yīng)，可以給同類(lèi)橋型的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

混凝土收縮徐變對(duì)橋梁的不利影響，很早就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界的重視。由于試驗(yàn)工作的困難，在已有的關(guān)于混凝土收縮徐變效應(yīng)分析的文獻(xiàn)中，多采用理論分析和計(jì)算模擬。Salvatore推導(dǎo)了按齡期調(diào)整的混凝土模量計(jì)算式，并對(duì)計(jì)算參數(shù)取值的有效性進(jìn)行了分析[2]；吳沖等采用有效彈性模量法對(duì)大跨度結(jié)合箱梁斜拉橋的混凝土收縮徐變應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析[3]；葉梅新等結(jié)合具體工程實(shí)例，采用有限單元法分析了由于徐變引起的應(yīng)力重分布，并探討了不同齡期混凝土彈性模量的取值[4]。盡管已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)混凝土的收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行了研究，但是對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋有關(guān)收縮和徐變的研究還較少。

本文以武漢二七長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立全橋有限元模型，在建模時(shí)分別考慮混凝土板的加載齡期為28d、90d、180d、270d，分析了三塔結(jié)合梁斜拉橋在收縮徐變影響下的撓度及應(yīng)力變化情況。同時(shí)，對(duì)不同齡期混凝土收縮徐變產(chǎn)生的影響效應(yīng)進(jìn)行討論，計(jì)算表明將混凝土板放置180d后再進(jìn)行架設(shè)可以有效地減小混凝土收縮徐變對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響，本文的分析結(jié)果可為三塔結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

武漢二七長(zhǎng)江大橋主橋結(jié)構(gòu)為三塔雙索面斜拉橋，全橋總長(zhǎng)1732 m，詳細(xì)布置為90 m+160 m+616 m+616 m+160 m+90 m，見(jiàn)圖1。兩邊跨各設(shè)一個(gè)輔助墩，主梁縱向采用半漂浮體系，墩塔固結(jié)，中塔采用塔梁鉸接，全橋共設(shè)斜拉索132對(duì)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段索距在主梁上為13.5 m。橋塔為花瓶型鉆石構(gòu)造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔高度為206 m。

主橋橋面體系采用雙工字型鋼主梁與混凝土橋面板組合而成的結(jié)合梁橋面形式，見(jiàn)圖2，兩工字型鋼主梁中心距30.5 m，主梁梁高2.935 m；橫梁縱橋向間距4.5 m，橫梁高度與鋼主梁一致；混凝土板厚度為26 cm，為了減小收縮徐變對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響，該橋?qū)⒒炷涟宸胖?80 d后再采用栓釘與鋼主梁連接。漢口及武昌岸主梁90 m邊跨采用現(xiàn)澆混凝土梁，以增加梁體自重，避免邊墩和輔助墩出現(xiàn)負(fù)反力。

圖1 二七長(zhǎng)江大橋立面圖(單位：m)

圖2 鋼-混凝土結(jié)合梁橫斷面圖(單位：cm)

2 混凝土收縮徐變效應(yīng)分析

2.1 全橋分析模型

按照橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，采用橋梁專(zhuān)業(yè)軟件MIDAS/CIVIL建立有限元模型。主梁和塔采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元。主塔共有單?66個(gè)，結(jié)合梁主梁共有單元940個(gè)，混凝土主梁共有單元48個(gè)，每根斜拉索由塔上的節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的主梁上節(jié)點(diǎn)連接而成的單個(gè)單元來(lái)構(gòu)成，共132個(gè)單元。全橋共1486個(gè)單元，1362個(gè)節(jié)點(diǎn)。該橋的有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 全橋有限元模型

二七長(zhǎng)江大橋的主梁有鋼、混凝土兩種材料，橋塔為混凝土，斜拉索為高強(qiáng)鋼絞線，模型中各部分材料參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)

根據(jù)該橋設(shè)計(jì)思路，主橋施工共劃分為79個(gè)施工階段，其中每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段的施工流程為：

(1)用架梁吊裝n號(hào)鋼主梁、鋼橫梁及小縱梁；

(2)安裝n號(hào)主梁對(duì)應(yīng)的斜拉索，進(jìn)行初張拉；

(3)安裝預(yù)置橋面板，二次張拉n號(hào)主梁對(duì)應(yīng)的斜拉索；

自2010年起，部分房地產(chǎn)估價(jià)機(jī)構(gòu)先后開(kāi)啟了信息化探索之路，并取得了一定成果。主要分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)為獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，較為典型的有深圳世聯(lián)、深圳國(guó)策、深圳評(píng)估中心、北京國(guó)信達(dá)等；另一類(lèi)為聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)，較為典型的有中估聯(lián)行、中房評(píng)、恒基數(shù)據(jù)、云估價(jià)、云房等。不管是獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，還是聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)，各房地產(chǎn)估價(jià)機(jī)構(gòu)都致力于自動(dòng)估價(jià)系統(tǒng)、知識(shí)管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)、自動(dòng)辦公系統(tǒng)、押品重估系統(tǒng)、不動(dòng)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)、投貸后資金管理服務(wù)系統(tǒng)等信息產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，以進(jìn)一步提升傳統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)效率和不斷開(kāi)拓新型業(yè)務(wù)發(fā)展空間，也對(duì)行業(yè)面臨的現(xiàn)狀困境起到了一定的改善作用。

(4)完成n號(hào)主梁安裝，前移吊機(jī)，安裝(n+1)號(hào)鋼主梁、鋼橫梁及小縱梁。

本模型所考慮的荷載主要包括恒載、二期恒載、活載和溫度荷載，其中恒載包括自重、拉索初拉力與基礎(chǔ)沉降，活載按公路一級(jí)設(shè)計(jì)，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D62-2004)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行組合。

2.2 收縮徐變效應(yīng)分析

在混凝土收縮分析中，由于混凝土收縮與構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力無(wú)關(guān)，只是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。混凝土收縮引起的應(yīng)變可以表示為

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)

(1)

其中，εcs0為名義收縮系數(shù)，βs為收縮隨時(shí)間發(fā)展的函數(shù)。

在三塔結(jié)合梁斜拉橋分階段施工過(guò)程中，混凝土的徐變系數(shù)隨著時(shí)間發(fā)展不斷變化，因此，在進(jìn)行徐變分析時(shí)，采用疊加法模擬施工過(guò)程可以得到較為精確的結(jié)果，但是會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，需要借助有限元軟件進(jìn)行輔助計(jì)算[5]。

混凝土徐變應(yīng)力與應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系為：

(2)

其中，ε(t)為混凝土總應(yīng)變，σc(t0)為混凝土應(yīng)力，E(t0)為混凝土彈性模量，C(t,t0)為混凝土徐變度，其表達(dá)式為：

(3)

式中，φ(t,t0)是加載齡期為t0，計(jì)算考慮齡期為t時(shí)的徐變系數(shù)。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)，混凝土徐變系數(shù)可按下列公式計(jì)算：

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)

(4)

其中，εcs為名義徐變系數(shù)，βc為加載后徐變隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)。

依據(jù)線性徐變理論，采用疊加原理，式(2)可以表示為：

(5)

圖4～8以及表2給出了武漢二七長(zhǎng)江大橋成橋階段和正常運(yùn)營(yíng)階段主梁撓度、塔頂水平位移、橋面板以及鋼主梁上、下緣應(yīng)力情況。

圖4 主梁撓度曲線

圖5 鋼主梁上緣應(yīng)力

圖6 鋼主梁下緣應(yīng)力

圖7 混凝土板上緣應(yīng)力

圖8 混凝土板下緣應(yīng)力

表2 撓度與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖4～8以及表2中可以看出，結(jié)合梁主梁的撓度明顯增大，達(dá)到了7.6 cm，塔頂?shù)乃轿灰埔苍龃罅?.6 cm；混凝土板的壓應(yīng)力變化不是很明顯，只降低了0.6 MPa，相對(duì)于混凝土應(yīng)力減小而言，鋼主梁壓應(yīng)力變化比較明顯，增加了10.9 MPa。

2.3 不同齡期混凝土收縮徐變影響效應(yīng)對(duì)比分析

由于時(shí)間的變化，混凝土強(qiáng)度不斷提高，尤其是對(duì)于高強(qiáng)度混凝土而言，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)很快會(huì)變密實(shí)，隨著加載齡期的增大，徐變變形快速減小，由于混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的效應(yīng)也會(huì)隨之變小。

為了研究不同加載齡期的混凝土對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響，在施工階段建模過(guò)程中，分別定義混凝土板加載齡期為28 d、90 d、180 d和270 d，選取我國(guó)《公路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)規(guī)范中的公式軟件自動(dòng)計(jì)算混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間的變化，從而得到不同齡期混凝土板對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響效應(yīng)。圖9～13分別給出了不同加載齡期的混凝土橋面板收縮徐變對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋主梁撓度以及應(yīng)力的影響。

圖9 主梁最大撓度

圖10 鋼主梁最大上緣應(yīng)力

圖11 鋼主梁最大下緣應(yīng)力

圖12 混凝土板最大上緣應(yīng)力

圖13 混凝土板最大下緣應(yīng)力

由圖9～13對(duì)比分析可以看出，由于加載齡期的不同，混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的效應(yīng)也是不同的。加載齡期越長(zhǎng)，引起的撓度變化越小，鋼主梁以及混凝土板的應(yīng)力變化也越小。但從28 d齡期，90 d齡期，180 d直到270 d齡期的混凝土來(lái)看，收縮徐變對(duì)結(jié)合梁斜拉橋影響減小的趨勢(shì)也越來(lái)越小，尤其是180 d和270 d齡期的混凝土相比，基本已經(jīng)沒(méi)有變化，趨于穩(wěn)定。因此，武漢二七長(zhǎng)江大橋在施工過(guò)程中將預(yù)制混凝土板放置180 d后再進(jìn)行架設(shè)，可以有效地預(yù)防混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)合梁斜拉橋撓度和應(yīng)力的影響。

3 結(jié) 論

(1)混凝土收縮徐變效應(yīng)引起主梁豎向撓度增大，塔頂水平位移也相應(yīng)增大。在混凝土收縮徐變的影響下，二七長(zhǎng)江大橋的主梁撓度增大7.6 cm，塔頂?shù)乃轿灰圃黾?.6 cm。

(2)混凝土收縮徐變對(duì)混凝土橋面板的應(yīng)力影響不大；相對(duì)于混凝土板而言，鋼主梁應(yīng)力影響較為顯著。在二七長(zhǎng)江大橋中，由于混凝土的收縮徐變，混凝土橋面板壓應(yīng)力減小0.6 MPa，鋼主梁拉應(yīng)力增量達(dá)到了10.9 MPa。

(3)混凝土加載齡期越長(zhǎng)，產(chǎn)生的收縮徐變效應(yīng)越小，但當(dāng)混凝土齡期達(dá)到180 d時(shí)，對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋撓度和應(yīng)力的影響已經(jīng)趨于穩(wěn)定。因此，在武漢二七長(zhǎng)江大橋的施工中，將混凝土橋面板放置180 d后再進(jìn)行架設(shè)，可以有效地減小收縮徐變對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋的影響，是合理的，可以為同類(lèi)橋型的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

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