1、高强 混凝 土指数型收缩徐变预测模型及工程应 用 柯 敏勇 , 刘海祥 , 陈灿 明, 陈松 4 9 文章编 号 : 1 0 0 3 -4 7 2 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 4 9 一O 4 高 强混凝土指数型收缩徐 变预 测模 型及 工程应用 柯敏 勇, 刘海祥 , 陈灿 明 , 陈 松 ( 南京水利科学研究院, 江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘 要 :收缩徐 变是 导 致 大跨 度 预 应 力混 凝 土 箱 梁桥 长 期 变 形 的重 要 因素 , 现 有 桥 梁长期 变 形 分析 中通 常 采用 C E B - F I P 9 0模 型 , 计 算 结果 会
2、出现较 大偏 差 。为减 小预 应 力混 凝 土 箱 梁桥 长 期 变形的计 算误 差 , 以 某三跨 预应 力 混凝 土连 续箱 梁桥 为 背景 , 对该桥 相 同配 比的 高强 混凝 土进 行 了标 准徐 变试验 , 将 实测数 据拟 合得 到指 数 型 收 缩 徐 变模 型 , 并根 据 该桥 混凝 土 构 件 实际 尺 寸效 应 、 湿度效应 、 钢筋配筋率和持荷年限对徐变 系数进行修正。由此计算得到该桥的长期变形与实测 数 据 吻合较 好 , 验 证 了指 数型 收 缩徐 变模 型 比现 有徐 变模 型 具有 更 高的预 测精 度 。 关 键词 :预 应 力 混凝 土结 构 ; 连
3、续 梁桥 ; 变形 ; 收 缩徐 变 中图分 类号 :U4 4 8 3 5 文献标 志码 :A Pr e di c t i o n M o d e l o f I nd e x Ty pe S hr i n ka g e a nd Cr e e p f o r Hi g h - S t r e ng t h Co n c r e t e a n d I t s Eng i ne e r i n g Ap pl i c a t i o n KE M i n y o n g ,LI U H a i xi a ng,CHEN Ca n 。 mi n g ,CH EN S o n g ( Na n j
4、 i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ,Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ,Ch i n a ) Abs t r a c t :The s hr i nk a g e a nd c r e e p i s a n i mpo r t a nt f a c t or c au s i ng l o ng t e r m d e f o r ma t i o n o f l o n g s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e( PC)b o x g i r
5、 d e r b r i d g e s I n t h e c u r r e n t a n a l y s i s o f t h e l o n g t e r m d e f o r ma t i o n o f t h e b r i d g e s ,t h e CEB - F I P 9 0 mo d e l i s u s u a l l y e mp l o y e d a n d t h e e r r o r s o f c a l c u l a t i o n by t h e m o d e l a r e g r e a t To mi ni m i z e t
6、 he e r r or s o f t he c a l c ul a t i on,a t h r e e s p a n PC c o nt i nu O US b ox g i r de r br i d ge wa s c i t e d a s a n e x a m p l e a n d t he s t a nd a r d c r e e p t e s t s f o r t h e hi gh s t r e n gt h c o nc r e t e ha v i n g t he s a me mi x p r op o r t i on i n g wi t h
7、t ha t of t he b r i dg e we r e m a de The me a s ur e m e nt da t a we r e f i t t e d,t he i nd e x t yp e s hr i nk a g e a nd c r e e p mo de l wa s ob t a i n e d a nd t he c r e e p c o e f f i c i e n t s we r e m o d i f i e d i n a c c o r da n c e wi t h t h e a c t ua l d i m e ns i o n
8、e f f e c t ,hu m i d i t y e f f e c t ,r e i n f o r c e m e n t r a t i O S a nd l oa d h ol d i ng ye a r s o f c on c r e t e c ompo ne n t s of t he b r i dg e Th e l o ng t e r m de f or ma t i o n of t he br i d ge c a l c u l a t e d i n a c c o r d a nc e wi t h t he mod e l i s we l l a g
9、 r e e a b l e wi t h t he me a s ur e d d e f or ma t i on, ve r i f y i ng t ha t t h e mod e l ha s e v e n hi gh e r pr e d i c t i on pr e c i s i on a s c omp a r e d t o t h a t o f o t he r e xi s t i n g s hr i nka g e a nd c r e e p mo de l s Ke y wo r ds :pr e s t r e s s e d c on c r e t
10、 e s t r u c t u r e;c o nt i nu ous g i r de r b r i dg e;de f o r m a t i o n;s h r i nka ge a nd c r e e p 1 引 言 大 跨度 预应 力混 凝 土连续 箱梁 桥 的长期 变 形必 须考 虑 收缩 徐 变 对 长 期 变 形 的 影 响 引, 现 有 混 凝 土徐 变模 型均 为经 验 公 式 或 半 理 论半 经 验 公 式 , 虽 收稿 日期 :2 0 1 0 0 9 1 3 基金项 目:国家 8 6 3 计 划资助项 目( 2 0 0 7 AAl 1 2 1 0 6 ) ; 西
11、部交通 建设科 技资助项 目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 2 7 ) ; 中央级公 益性科研院所 基本科研业 务费 专项资金 ( Y4 1 1 0 0 9 ) 作者简 介:柯敏勇( 1 9 7 0 -) , 男 , 高级工程师 , 1 9 9 2年毕业 于南 昌水 利水 电高等专科学 校水利水 电工程建筑专业 , 1 9 9 8年毕业于南京水 利科 学研究 院水工结构工程专业 , 工学硕士 , 2 0 0 8年毕业于河海大学工程力学专业 , 工学博: : ( k e mi n y o n g 1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
12、o m 5 0 桥梁建设 2 0 1 1年第 4期 不 同程 度地 考虑 了加载 龄期 、 计算 龄期 、 构 件 的体表 比、 强 度 、 水 灰 比等 因素 的 影 响 , 但 由于 高 强混 凝 土 配合 比组成 多样化 、 结构 物所 处 的环境 因素等影 响 , 经统计 回归 得到 的 收缩徐 变模 型 预测 误差 均 在 2 0 以上 , 即使同一模 型在不同加载龄期和不 同时 间里 的预测精 度也 是变 化的 3 。为减小 长期 变形 的 计算误差, 可根据桥用高强混凝土施工配合 比开展 室 内收缩徐 变试验 , 获取 不 同龄 期 的徐变 系数 , 建 立 专用的收缩徐变预测模
13、型; 然后根据实桥 的结构尺 寸 、 配筋率、 湿度条件等因素, 开展徐变系数 的修正 工作 4 ; 最后修正后的徐变系数和预测模 型应用到 工程实际中, 可获得相对精度较高的长期变形计算 分析 结果 。 2 收 缩徐 变模 型 2 1标准 徐变试 验 采用密 封试件 表面 的方法 使棱 柱体试 件 4 个 侧 面暴露 、 2个相对 侧 面暴 露 而 另 2个 侧 面 密封 、 3个 侧 面密 封而另 1 个 侧 面 暴露 以及 4个侧 面 密 封 , 模 拟 4种 等效板 厚 的试 件 ( 分 别 为 7 5 C IX I 、 1 5 c m、 3 0 c m 和 5 0 e ra) 。4个
14、 侧 面 密封 试 件 的 收缩 即 为 自 生变 形应 变 , 其 徐 变 即 为基 本 徐变 。高强 混 凝 土设 计强度等级为 C 5 0 , 标准立方体试块 的 7 d抗 压强 度为 5 4 3 MP a 。徐 变试验 根据 普通 混 凝土 长期 性 能和 耐久性 能试 验 方法 ( G B J 8 2 8 5 ) 和 公路 工程 水泥混凝 土试 验规程 ( J T J 0 5 3 9 4 ) 及 水运工 程混 凝土 试验规 程 ( J T J 2 7 0 9 8 ) 的 要 求 , 采 用 尺 寸为 1 5 0 mmX1 5 0 mm4 0 0 mm 的棱 柱体 试件 , 加 载龄
15、期 为 7 d , 试 验室 温度 2 O2。 C, 湿度 6 5 5 。 2 2 徐变试 验结果 将 徐变试 验数据 拟合 得到 4种不 同等效 板厚 的 徐变预测模式。 4个侧 面暴 露 : 一1 4 0 5 ( 1 一e ) + 0 5 9 ( 1 一 e ) ( 1 ) 2个侧 面密封 : 一0 6 6 8 2 ( 1 一e ) + 0 45 ( 1一 e 一。 ) ( 2) 3个侧 面密封 : 声 一0 3 8 7 3 ( 1 一e 毗 ) + 0 4 4 ( 1 一 e ) ( 3 ) 4个 侧面密 封 : 一0 3 1 6 9 ( 1 一e ) + 0 4 4( 1 一 e 。
16、- ) ( 4 ) 式 中 , 为徐 变系数 ; 为 持荷 时间 。 3 参数 取值 和修正 指数 函数徐 变 预测模 型是针 对实验 室标 准试验 条 件获得 的 , 运 用到 同样配 比的工 程 中 , 尚应考 虑桥 梁结 构 的工作环 境 , 对 标 准方 法 测试 的徐 变 系数 进 行修正才能应用到工程 中 。因此有必要进行构件 尺寸 、 湿度 、 配筋量、 长期徐变等影响因素的修正 。 3 1 尺寸效应修正 经不同有效厚度的高强混凝土徐变试验得到徐 变系数 和等效 厚度 关 系 , 经 拟合 得 到 持 荷时 问 1年 的徐变系数 与等效厚度 h的关系为: 一 0 7 5+ 2 0
17、7 e 一 。 + 。 ( 5 ) 式 中 , h为混凝 土 的等效 厚度 。 3 2 湿度修正 C E B F I P 7 0法采用 图解 法给 出湿度 系数 4 KH一 1 +3 2 5 - 1 e _ 。 o 1 8 5 n 一 m ( 6 ) 式 中, H 为 环境 湿度 ( ) 。 式 ( 6 ) 所示 的湿度 系数 是标准试 件 ( 或选用 的典 型尺 寸试 件) 在几 种 湿 度条 件 下 徐 变变 形 与基 本 徐 变变形比值 , 是以相对湿度 1 0 0 的徐变为基准 的。 结合式 ( 5 ) 等效厚 度修 正方法 , 采用 非线性 相似 瞳线 平移 调整法 , 可得 到湿度
18、 和尺 寸调整 公式 为 5 : ( H , )一 0 7 5+ 4 2 2 2 E 1 一 e - 。 。 ( 1 0 0 - H ) ( 。 。 。 + 0 。 。 ( 7 ) 式 中 , h为构件 等效厚 度 ( c m) 。 3 3配筋率修正 工程 应用 中可 以将钢 筋 当作 构件 混凝土 的组成 部分 , 只需修正混凝土徐变试验的结果。钢筋混凝 土柱 的综 合弹性 模 量 E 一 徐 变度 c 和 徐变 系数 的修 正公 式为 4 : C m ( 8 ) m 一 再 9 ) Em : E( t 。 ) ( 1 0 ) 1 1- 式 中, c为混凝 土徐 变度 ; 为钢 筋纵 向配筋
19、 率 ; 为 钢 筋 弹性 模量 和 混 凝 土弹性 模 量 比值 ; E 为混 凝土 弹性模 量 。 3 4 持 荷年 限修正 由于试验费用和场地等原因, 徐变试验周期一 般 为 1 年 , 多年 徐变 系数 相 对 值 通 常在 1年基 础 上 线性外 延 得到 , 表 1给 出 的是 多 年 徐变 系 数 与加 载 1年 徐 变 系数 的 比值 , 多年 徐 变 修正 系 数 可取 平 均 值 , 其中 1 5年和 5 1 O年其间的徐变可以采用 内插法进行推算。多年徐变系数取值仍更多依赖于 工 程师 的经验 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高强混凝土
20、指数型收缩徐变预测模 型及 工程应用 柯敏勇 , 刘海祥 , 陈灿 明, 陈松 5 l 表 1 多年徐变 系数 与加载 1年徐变 系数的 比值 Ta b 1 Ra t i o s o f M a ny Ye a r s Cr e e p Co e f f i c i e n t s a n d On e Ye a r s Cr eep Co e f f i c i e nt s a f t e r Lo a di ng 4工程应 用 4 1工程 概况 某 桥 为 ( 8 0 +1 4 0 +8 0 )m 三跨 预 应 力混 凝 土 变 截 面连续箱 梁桥 , 设 计 荷 载 为 汽 车 一超
21、2 O级 、 挂 车 一 1 2 0 , 地震 设 防烈度 为 8度 。主桥箱 梁采 用直 腹板 形 式 的双箱 单 室结 构 , 箱 梁 采 用 C 5 0混凝 土 。桥 梁 总体 布 置 见 图 1 。该 桥 采 用 悬 臂 分 节 段 浇 筑 法 施 工 。从 2 0 0 5年 投 入运 营 以来 一 直跟 踪 测 量 桥 面线 形 , 测 量频 次 为 夏 季 和 冬 季 各 1次 , 测 量 结 果 见 图 2 , 该 桥跨 中成 桥 以后 最 大挠度 为 6 6 a m 6 。 9 8 0 图 1 桥梁 总体 布置 Fi g 1 Ov e r a l l Ar r a ng e m
22、e nt o f Br i dg e 长度 珂 图 2 目重 工 况 下 的 桥 面 线形 监 测 结 果 Fi g 2 M on i t o r i ng R e s ul t s o f De c k Ge om e t r i c S ha p e u nde r S e l f W e i g ht Lo a d Ca s e 4 2 计 算 分析 计 算分 析软 件采 用交 通部 公路 科学 研究 院研 制 的 GQ J S , 该软 件 采 用 平 面 杆 系 单 元 开 展 桥 梁 结 构 的变形 和受 力分 析 , 计 算 分 析 重 点 是 考 虑 收缩 徐 变 模 型对 桥
23、梁 长期 变 形 的 影 响 , 因 此 计算 模 拟 施 工 过 程 及成 桥 7年 的桥 梁 结 构 恒 载挠 度 , 徐 变模 型分 别 选 用 了 自行 拟 合 的 指 数 型 模 型 、 AC I 2 0 9 _ 7 、 C E B FI P 7 8 E 、CEB FI P 9 0 、B3 E 。 , 。 4 3 徐变 取值 和修 正 ( 1 )尺寸 和湿 度 修 正 。根 据 设 计 图纸 , 该 桥 的 等 效厚 度 可 以分 3种 情 况 考 虑l 6 : 情 况一 为 内部 与 边 界不 连通 , 即箱 梁 内部湿 度饱 和 , 且 不 和外界 空气 进 行湿 度交 换 ;
24、情 况二 为 内部 与边界 连通 , 即空气流 通 差 , 湿 度可 交换 ; 情 况 三 为 内部 与 边 界 连通 、 空 气 流通 好 , 湿度 和 温度 均 可 交 换 。该 桥 所 处 环境 年 平 均 温度 为 1 6 8 , 湿 度 为 7 0 3 , 按 照式 ( 7 ) 计 算 得 到 徐 变 系 数 。结 合 本 箱 梁 桥 的 实 际 施 工 特 点 , 认 为 箱梁 桥 内部 与 边 界 不 连 通 且 湿 度 饱 和 , 即 徐 变 系 数 经 尺 寸 和 湿 度 调 整 后 取 情 况 一 的平 均 数 , 为 0 7 5 。 ( 2 )配 筋率 修 正 。根 据
25、式 ( 8 ) ( 1 0 ) 计 算 得 到 的钢筋混 凝 土箱 梁顶 板 、 腹 板和 底板 的徐 变系数 , 因 GO jS为平 面杆 系 有 限元 计 算 分 析 程 序 , 现 有 程 序 无 法 区分箱 梁不 同部 位 的徐 变 系 数 , 因此 徐 变 系数 按 照腹板 、 底 板 和顶板 3个 部位 的平 均值 取值 , 得 到 徐 变系数 为 0 7 3 4 。 ( 3 )持荷年限修正 。1 年徐变 系数为 0 7 3 4 , 则 持荷 年 限 5年 的徐 变 系数 为 0 8 7 3 , 1 0年 徐 变 系数 为 0 9 1 8。 4 4挠 度分 析 不 同徐 变模 型得
26、 到 的中跨跨 中长期 变形计 算结 果 见表 2 , 通过对 比分析 表 明 : 指 数 型 徐变 预 测模 型 与 实测下 挠 位移 最 接 近 , 其 次是 B 3模 型 , C E B - F I P 7 8模 型计 算 结 果 最 大 , B 3模 型 和 AC I 2 0 9模 型 计 算结果均大于实测值 , 因此在没有试验数据的基础 上选 取 C E B - F I P 9 0模 型 比较合适 。 表 2 桥梁成桥后 跨中累计 挠度 Ta b 2 Ac c u m u l a t i v eM i d s p a n De fle c t i o n o fCo m p l e
27、t e d ndg e 5 结 论 本文将与实桥相同配合 比的高强混凝土徐变试 验结 果拟 合得 到指 数 函数 型 徐 变 预 测模 型 , 通 过 结 构 尺寸 、 配筋 率 、 湿 度 条 件 和 持 荷 年 限等 修 正 , 计 算 出 ( 8 O +1 4 0 +8 0 )m 三跨 预应 力混 凝 土 变截 面连 续 箱梁 桥长 期 变形值 , 与 实测 数据 吻合 较好 , 验证 了指 数 型收缩 徐 变模 型 比现有徐 变模 型具 有更 高 的预测 精 度 。 g 雠嚣靛罂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 桥梁建设 2 0 1 1 年第 4
28、期 参考 文献 【 Re f e r e n c e s ) : 1 3 惠荣炎 , 黄国兴 ,易冰若混凝土的徐变 M 北京 : 中国铁道 出版社 , 1 9 8 8 ( HUI Ro n g - y a n,HUANG Gu o - x i n g,YI b i n g r u o Cr e e p o f C o n c r e t e M B e i j i n g :C h i n a Ra i l w a y P u b l i s h in g Ho u s e , 1 9 8 8 i n Ch i n e s e ) 2 胡狄预应 力混 凝土 桥 梁徐变 效应 分析 ( 博 士学
29、 位论 文) D 长沙: 中南大学 , 2 0 0 3 ( HU Di An a l y s i s o f Cr e e p Ef f e c t o f P r e s t r e s s e d Co nc r e t e B r i d g e s( D o c t o r a t e D i s s e r t a t i o n ) D Ch a n g s h a :C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,2 0 0 3 i n Ch i n e s e ) 3 丁文胜 , 吕志涛, 孟少平 , 等混凝土收缩徐变预测模型 的分析 比较
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31、i ne s e ) 4 陈灿明, 黄卫 兰, 陆采荣 , 等桥用高性能混凝土 的徐变 与应用 J 水利水运工程学报 , 2 0 0 7 , ( 2 ) : 1 9 5 6 7 8 9 1 o ( CHE N C a n - mi n g ,HUAN G We i l a n ,L U C a i r o n g ,e t a 1 1 1 Cr e e p o f H igh 。Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e f o r Br i d g e s a n d I t s Ap p l i c a t i o n J Hy d r o - S c i e n
32、 c e a n d E n g in e e r i n g , 2 0 0 7 ,( 2 ) :1 9 i n Ch i n e s e ) 柯敏勇, 陈灿 明, 黄卫兰 , 等大跨径预应力混凝土梁桥 高强混 凝土材料特性研究 R 南京: 南京水利科学研究院, 2 0 1 0 ( KE M i n - y o n g,CHEN Ca n - mi n g。 HUANG W e i l a n, a 1 St u d y o f Ma t e r i a l Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hi g h - S t r e n g t h Co n c r
33、e t e f o r L o n g S p a n P r e s t r e s s e d C o n c r e t e B e a m B r i d g e s R N a n j ing:Na n j i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ,2 0 1 0 i n Ch i n e s e ) 柯敏勇 , 陈灿明, 陈松 , 等预应力混凝土箱梁桥用高强混凝 土长期时变特性试 验与理论研究 R 南京 : 南京 水利科学研 究 院, 2 0 1 0 ( KE M i n - y o n g, CHEN Ca
34、n mi n g, CHEN So n g, a 1 Te s t a n d Th e o r e t i c S t u d y o f Lo n g - Te r m Ti m e - De p e n d e nt Ch a r a e t e r i s t i c s o f H i g h St r e n g t h Co n c r e t e f o r Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e B o x Gi r d e r B r i d g e s R 。Na n j i n g : Na n j i n g Hy d r a u l
35、i c R e s e a r c h I ns t i t ut e,2 0 1 0 i n Chi n e s e ) ACI 2 0 9 R- 9 2 ,Pr e d i c t i o n o f Cr e e p,S h r i n k a g e a n d Te mp e r a - t u r e E f f e c t s i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s S C EB - F I P,Mo d e l C o d e f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e s S C EB - F I P
36、,Mo d e l C o d e 1 9 9 0 ,De s i g n C o d e S B a z a n t Z P,B a we j a S Cr e e p a n d S h r i n k a g e P r e d i c t i o n Mo d e l f o r An a l y s i s a n d De s i g n o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s - Mo d e 1 B3, RI L EM R e c o d a t i o n J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r
37、e s , 1 9 9 5,2 8( 3 ):3 5 7 36 5 Z d e n e k P B a l a n t ,Li s a P a n u l a Cr e e p a n d S h r i n k a g e Ch a r a c t e r i z a t i o n f o r A n a l y z i n g P r e s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s J J o u r n a l of t h e Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e I n s t i t u
38、 t e ,1 9 8 0,2 5( 3 ): 8 6 1 2 2 m, , I mm mm, , , - - - m - l m- - - l I - - - , , , , - - - , , , , , m , , , , - - - , , , , , - , , , , , , , , , , , , , , , - , , , ( 上接 第 3 6页) Ex t e n s i o n o f De t e r i o r a t i n g St r uc t u r e s Un d e r Re l i a b i l i t y - Ba s e d Ma i n t e
39、n a n c e J C o mp u t e r s a n d S t r u c t u r e s ,2 0 0 4 ,8 2 ( 1 3 1 4 ):1 0 7 7 1 0 8 9 6 吴海军 , 陈艾荣寿命周期成本分析方法在桥梁工程中的应用 J 公路, 2 0 0 4 , ( 1 2 ) : 3 4 3 8 ( WU Ha i - j u n ,C HEN Ai r o n g Ap p l i c a t i o n o f L i f e Cy c l e C o s t An a l y s i s Me t h o d t o B r i d g e S t r u c
40、t u r e s J Hi g h wa y ,2 0 0 4 , ( 1 Z ):3 43 8 i n Ch i ne s e ) 7 3 白洪涛 , 王福敏桥梁改造工程寿命周期成本模型 的建立 与分 析 J 重庆交 通 大学 学 报 ( 自然科 学 版) , 2 0 0 8 , ( 4 ) : 2 0 8 2 1 3 ( BAI Ho n g - t a o。W ANG Fu - mi n Mo d e l s Es t a b l i s h me nt a n d An a l y s i s o f En g i ne e r i n g Lif e Cy c l e Co s t
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43、桥梁生命 周期成 本模型研究 J 苏州 科技 学 院学 报 ( 工程 技术 版) , 2 0 1 0 , ( 3 ): 44 4 9 ( WU Yu me n g,CHANG J u n S t u d y o n I n - S e r v i c e Br i d g e Li f e Cy c l e Co s t M o d e l Ba s e d o n M a i nt e n a nc e M a n a g e me nt S y s t e m J J o u r n a l o f S u z h o u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y( En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y ),2 0 1 0,( 3 ) :4 4 49 i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m