預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變效應(yīng)研究

連海坤 吳 迪 賈彥順

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變效應(yīng)研究

連海坤 吳 迪 賈彥順

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行研究，從時(shí)變特征、彈性模量、加載齡期、環(huán)境濕度四個(gè)方面的變化分析，得出隨曲率半徑、縱坡的變化，并總結(jié)出這些影響因子對(duì)橋型變形、內(nèi)力的影響程度及變化規(guī)律。

彎坡連續(xù)剛構(gòu)，收縮徐變，變形，內(nèi)力

我國(guó)四川西部、云南等地山區(qū)面積占有比重大，屬于高原山區(qū)，河流穿行，山谷高深，地質(zhì)條件比較復(fù)雜。連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)整體性好，簡(jiǎn)潔美觀，對(duì)于山區(qū)行車(chē)舒適性好，施工工藝成熟，是此地區(qū)最具競(jìng)爭(zhēng)力的一類(lèi)橋型。已建大橋中，一部分是位于曲線與縱坡較大線路上的彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋，相比于直橋、平橋或小縱坡的彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋，其病害、損傷比較容易發(fā)生，且數(shù)量多。

目前，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變影響機(jī)理研究相對(duì)較少，寄希望通過(guò)本文的研究能夠?qū)σ院蟮念A(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)、施工和成橋運(yùn)營(yíng)期間的安全提供參考依據(jù)。

1 工程概況

云南省永平至保山高速公路某跨徑(77+140+77)m彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁為C55混凝土單箱單室截面，采用三向預(yù)應(yīng)力鋼束。主橋平面彎曲半徑變化幅度：∞→388.95 m，主橋立面彎曲半徑變化幅度：5 000 m→6 500 m，主橋縱坡變化范圍：5.8%→3.0%→6.0%。箱梁頂面寬22.5 m，底面寬11.5 m，箱梁根部斷面中心處梁高7.5 m，中跨與邊跨合龍段梁高3.0 m，梁底面呈二次拋物線變化。下部結(jié)構(gòu)為縱橋向?qū)?.5 m，橫橋向?qū)?1.5 m的雙柱式薄壁空心橋墩，為C50混凝土。

2 分析研究思路

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)施工圖紙、變更圖紙、施工記錄、橋梁規(guī)范等資料選取各相關(guān)參數(shù)基準(zhǔn)值，對(duì)依托項(xiàng)目的彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行精確、完整的仿真建模，在此基礎(chǔ)上，將彈性模量、加載齡期、環(huán)境濕度等影響因子分別單獨(dú)變化一定的幅度，運(yùn)行上述從施工至成橋全過(guò)程有限元模型，提取全橋或指定截面的變形值、應(yīng)力值進(jìn)行分析，總結(jié)出這些影響因子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響程度及變化規(guī)律。

3 計(jì)算模型建立

采用橋梁有限元軟件MIDAS Civil建立空間仿真模型。主梁采用空間變截面梁?jiǎn)卧M，橋墩為梁?jiǎn)卧M，預(yù)應(yīng)力束通過(guò)“預(yù)應(yīng)力荷載”功能進(jìn)行模擬；邊界條件中，墩底將X，Y，Z，RX，RY，RZ六個(gè)方向自由度全部約束，主梁與橋墩固結(jié)采用彈性連接中的剛性連接來(lái)模擬；成橋分析時(shí)，端部支座采用限制Y，Z，RX，RZ方向自由度而不限制X，RY方向自由度來(lái)模擬；施工過(guò)程中，節(jié)段濕重、掛籃重量采用節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)彎矩模擬；依據(jù)擬定的施工過(guò)程與方法，分88個(gè)施工階段模擬全部過(guò)程?？紤]結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、實(shí)際施工過(guò)程和計(jì)算精度的需要，把全橋離散為398個(gè)節(jié)點(diǎn)、395個(gè)單元。其有限元模型如圖1所示。

橋梁計(jì)算所用的材料參數(shù)如表1所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

表1 材料參數(shù)表

材料參數(shù)類(lèi)型彈性模量/MPa線膨脹系數(shù)泊松比容重/kN·m-3主梁混凝土355000．000010．225橋墩混凝土345000．000010．225預(yù)應(yīng)力鋼束1980000．0000120．378．5

規(guī)定：撓度向上為正，應(yīng)力受拉為正；相反為負(fù)。

4.1 時(shí)變特性分析

混凝土收縮徐變隨時(shí)間推移也發(fā)生著變化，本文取成橋后5個(gè)月、2年、6年、10年、20年這五個(gè)階段各自主梁的撓度值，分析了彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋受到的影響。主梁撓度結(jié)果比較如圖2所示。

從圖2可以看出，在自重、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和活載長(zhǎng)期作用下，成橋20年的下?lián)献畲笾禐?6.75 cm，成橋5個(gè)月下?lián)献畲笾禐?2.83 cm，前者約是后者的2.4倍，因此，收縮徐變對(duì)橋梁長(zhǎng)期線形影響較大。

4.2 彈性模量影響分析

本文選取主梁C55混凝土彈性模量值分別為32 660 MPa(-8%),34 080 MPa(-4%),35 500 MPa(0%),36 920 MPa(4%),38 340 MPa(8%)五種情形，計(jì)算分析了彈性模量對(duì)收縮徐變的影響，如圖3所示。

由圖3可以看出，在荷載效應(yīng)作用下，當(dāng)彈性模量由-8%增大到8%，主梁中跨跨中撓度值不斷增加，最大增幅為23.53%，表明在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)嚴(yán)格控制其集料配比，控制混凝土的彈性模量，以減少由彈性模量變化對(duì)主梁撓度的影響。

4.3 加載齡期影響分析

本文選取3 d，7 d，10 d，14 d，28 d的加載齡期分別進(jìn)行運(yùn)算，此橋型提取主要受力部位進(jìn)行分析，即邊跨2/5L處、中墩墩頂附近、中跨1/4L處、中跨跨中處的模型撓度值，其撓度值如表2所示。

表2 不同加載齡期撓度值表 cm

從表2可以看出，隨著加載齡期的增加，主梁撓度均減小，中跨跨中撓度減小最大為39.26%。表明橋梁加載齡期影響橋梁的變形，加載齡期越長(zhǎng)，撓度變化越小，越能較好的維護(hù)橋梁的運(yùn)營(yíng)。

提取上述截面下緣應(yīng)力值，如表3所示。

表3 不同加載齡期截面下緣應(yīng)力值表 MPa

從表3可以看出，隨著加載齡期的增加，除邊跨中墩處截面下緣應(yīng)力略有降低外，其他截面處均呈現(xiàn)遞增，且中跨跨中增加，最大為10.56%。表明隨著加載齡期的增加，彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板應(yīng)力增大。

表4 不同環(huán)境濕度撓度值表 cm

4.4 環(huán)境濕度影響分析

在JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中考慮環(huán)境濕度對(duì)收縮徐變的影響，為此，本文選取環(huán)境濕度分別為35%，45%，55%，65%，75%，85%六種情況進(jìn)行分析。

同樣，提取節(jié)點(diǎn)29號(hào)，42號(hào)，61號(hào)，102號(hào)，143號(hào)，162號(hào)，176號(hào)對(duì)應(yīng)的撓度值，如表4所示。

從表4可以看出，伴隨環(huán)境濕度的增大，主梁撓度減小，中跨跨中撓度減小最大，為31.49%。表明橋梁所處環(huán)境濕度越大，其變形越小，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)期間的保護(hù)作用越好。

提取上述截面下緣應(yīng)力值，如表5所示。

表5 不同環(huán)境濕度截面下緣應(yīng)力值表 MPa

從表5可以看出，伴隨環(huán)境濕度的增加，只有邊跨中墩截面處下緣應(yīng)力稍微降低外，其他均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，最大增幅為15.63%。表明環(huán)境濕度的增大，會(huì)使箱梁底板應(yīng)力增大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文旨在研究預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變機(jī)理，以云南飛龍大橋?yàn)轫?xiàng)目依托，運(yùn)用MIDAS Civil軟件建立相應(yīng)的有限元模型，分別改變彈性模量、加載齡期、環(huán)境濕度等影響因子，通過(guò)不同參數(shù)條件下模型的分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：1)在自重、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和活載長(zhǎng)期作用下，隨著成橋時(shí)間的推移，橋梁產(chǎn)生的下?lián)现底兇?，因此，收縮徐變對(duì)橋梁長(zhǎng)期線形影響較大。2)隨著彈性模量的變大，主梁中跨跨中撓度值增加，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)時(shí)集料配比來(lái)控制混凝土的彈性模量。3)加載齡期越長(zhǎng)，環(huán)境濕度越大，主梁撓度值越小，對(duì)成橋運(yùn)營(yíng)期間的保護(hù)作用越好。與此同時(shí)，加載齡期越長(zhǎng)，環(huán)境濕度越大，主梁下緣拉應(yīng)力越大，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意?？梢?jiàn)，混凝土的收縮徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力有一定程度的影響，希望以上研究分析的結(jié)論，對(duì)以后此類(lèi)橋型的設(shè)計(jì)、施工和成橋運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)檢測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

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Research on shrinkage and creep effect at prestressed concrete curved continuous rigid bridge

Lian Haikun Wu Di Jia Yanshun

(RoadCollege,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

According to the numeric simulation method, the paper researches the shrinkage and creep effect at the prestressed concrete curved continuous rigid bridge, analyzes the changes from the time-varying feature, elastic modulus, age of loading, and environmental humidity, concludes changes along with diameter of curvature and longitude slope, and points out the influential levels and change rule for the bridge deformation and internal force.

curved continuous rigidness, shrinkage and creeping, deformation, internal force

2015-02-03

連海坤(1989- )，男，在讀碩士； 吳 迪(1989- )，男，在讀碩士； 賈彥順(1987- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)11-0152-02

U448.215

A