宽幅混凝土箱梁的横向收缩应变差分析.pdf

6 6 桥梁建设2 0 1 3年第 4 3卷第 3期 ( 总第 2 2 0 期 ) B r i d g e C o n s t r u c t i o n，Vo 1 4 3，No 3，2 0 1 3( To t a l l y No 2 2 0 ) 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 6 6 0 5 宽幅混凝土箱梁的横 向收缩应变差分析 龚 勇 ， 程 涛 ( 中交第二公路勘察设计研 究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 5 6 ) 摘 要 ：为了研究施工过程 中宽幅混凝土箱梁的收缩应 变差对梁体应力的影响， 以常平 5号 高架桥 ( 跨径 6 3 0 m， 全 宽 3 3 5 m 的整幅预 应 力 混凝 土连 续 箱 梁桥 ) 为 背景 ， 依 照 文献 公 式 计 算 各施工节段 间及箱梁各部位间的收缩应 变差 ， 再转换成等量温差施加于空间块体元模型上， 重点分 析 了箱梁节段龄期差和各部位不均 匀收缩应 变差引起 的收缩效应及箱梁各部位的应 力分布情况。 分析结果表 明， 单纯的箱梁不同结构部位不均匀收缩应变差引起 的拉应力不会 引起箱梁开裂； 收缩 应力主要与节段龄期差有关， 节段龄期差引起的箱梁施工节段 间的收缩应 变差引起的收缩应力则 可 能使 梁体 开裂 。 关键词 ：宽幅箱梁； 混凝土； 横向收缩； 收缩应变； 龄期差； 当量温差； 有限元法 中 图分类 号 ：U4 4 8 2 1 3 ； TU3 7 5 1 文献标 志 码 ：A An a l y s i s o f Tr a ns v e r s e S hr i n ka g e S t r a i n Di f f e r e n c e s o f W i de Co n c r e t e BO X Gi r d e r GONG Y o n g，CHENG Ta o ( CCCC Se c on d Hi ghwa y Con s ul t a nt s Co ，Lt d ，W uh a n 4 30 05 6，Chi na ) Ab s t r a c t ：To s t u dy t h e i n f l ue nc e o f t h e s hr i nk a ge s t r a i n d i f f e r e n c e s o f wi de c onc r e t e bo x gi r d e r o n t h e s t r e s s of t he g i r de r i n t he c o ns t r u c t i on，t h e Ch a ngp i n g Vi a d uc t No 5 ( a pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c on t i nu ou s b ox g i r d e r br i d ge wi t h s p a n a r r a n ge m e nt 6 3 0 m a n d f ul l d e c k wi d t h 33 5 m)wa s c i t e d a s a n e x a mp l e I n t e r ms o f t h e r e l e v a n t f o r mu l a e i n t h e 1 i t e r a t u r e s ，t h e s h r i n k a g e s t r a i n d i f f e r e n c e s b e t we e n t h e c o n s t r u c t e d s e g me n t s a n d b e t we e n t h e d i f f e r e n t p a r t s o f t h e g i r d e r we r e c a l c u l a t e d，t h e c a l c u l a t e d s t r a i n d i f f e r e n c e s we r e t h e n c o n v e r t e d i n t o t h e e q u i v a l e n t t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e s a n d a p p l i e d t o t h e s p a t i a l b l o c k e l e me n t mo d e 1 Th e s h r i n k a g e e f f e c t a n d s t r e s s d i s t r i but i o n Of t he d i f f e r e n t p a r t s o f t he gi r de r c a us e d by t he s e g m e nt a g e d i f f e r e n c e s a n d t he no n u n i f o r m s h r i n k a g e s t r a i n d i f f e r e n c e s o f t h e d i f f e r e n t p a r t s we r e p a r t i c u l a r l y a n a l y z e d Th e r e s u l t s o f t he a n a l ys i s de m o ns t r a t e t h a t t he t e ns i l e s t r e s s c a us e d b y t he no n un i f o r m s hr i n ka g e s t r a i n d i f f e r e n c e s o f t h e d i f f e r e n t p a r t s o f p u r e b o x g i r d e r wi l l n o t c a u s e c r a c k i n g i n t h e g i r d e r Th e s h r i n k a g e s t r e s s i s ma i n l y r e l a t e d t o t h e c o n s t r u c t e d s e g me n t a g e d i f f e r e n c e s wh i l e t h e s h r i n k a g e s t r e s s c a u s e d b y t h e s h r i n k a g e s t r a i n d i f f e r e n c e s b e t we e n t h e s e g me n t s o f t h e g i r d e r d u e t o t h e s e g me n t a g e d i f f e r e n c e s wi l l p o s s i b l y c a u s e t h e c r a c k i n g i n t h e g i r d e r Ke y wo r d s ：wi d e b o x g i r d e r ；c o n c r e t e ；t r a n s v e r s e s h r i n k a g e ；s h r i n k a g e s t r a i n ；a g e d i f f e r e n c e；e q ui v a l e nt t e m pe r a t u r e d i f f e r e n c e；f i n i t e e l e me n t me t h o d 1 引 言 收缩是混凝土 的固有特性 ， 一般预应力混凝土 箱梁分析时， 多关注于混凝土收缩对 预应力损失 的 影响以及 对 箱梁 的长期 挠 度和 混凝 土应 力 的影 响 I 5 3 ， 没有考虑收缩所带来的横 向效应。对 于一 般宽跨 比较小、 在整体上呈现细长形杆件 的大跨或 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 2 1 8 作者简介 ：龚勇 ， 高级工程师 ， E - ma i l ： 1 8 7 7 0 9 4 4 q q c o m。研 究方 向 ： 桥梁 工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 宽幅混凝土箱梁 的横 向收缩应 变差分析 龚 勇 ， 程涛 6 7 窄幅箱梁 ， 可以忽略其收缩的横向效应。然而 ， 诸如 整幅布置的城市高架桥宽 幅箱梁结构 ， 由于构造上 的特殊性 ， 混凝土收缩会导致显著的横向效应 。 宽幅箱梁横 向收缩效应主要 体现在 节段龄期 差带来的收缩应变差异和箱梁各部位不均匀 收缩 2 个方面 。箱梁施工节段 浇筑龄期差 引起先后浇筑 梁段 间的收缩应变差 ， 先 浇筑 的节段 已完成一部分 收缩量 ， 后浇筑节段 的收缩才开始 。在宽幅箱梁湿 接缝附近， 先浇梁段对后浇梁段 的横向收缩产生约 束作用 ， 从而产生横 向收缩应力 。另一方 面， 由于 宽幅箱梁在支点处设置的横梁体量很 大， 而箱梁顶 板 、 底板和腹板 的体量相对较小 ， 导致各 部位 的收 缩应变不均。横梁 的收缩应变小 ， 会对箱 梁顶板 、 底板和腹板的收缩产生约束作用 ， 从 而也会产生横 向收 缩应 力 。 本文重点讨论施工节段浇筑龄期差引起 的箱梁 施工节段间收缩应变差和箱梁 内部不同部位收缩应 变差的计算方法， 并 以从莞高速常平高架桥 的宽幅 箱梁为例 ， 分析收缩应变差带来 的梁体应力状态 。 2 混凝土收缩变形分析方法 2 1 混凝土收缩模式 国内外不同规范采用不同的混凝土收缩计算模 型嘲。文献E 7 J 总结 近 2 0年的 1 2 2 0次试 验数据 ， 归纳出混凝 土 的最 终收 缩应 变 ( C X D ) 的计 算 公 式为 ： e ( 。 。)一 0 ( ) M l M 1 0 ( 1 ) 式中 ， e 0 ( 。 。 ) 为标准状 态下混凝 土收缩 终极值 ， 取 3 2 4 1 0 一； M1 ， ， M1 。 为考虑各种非标准条件 的 修正系数 ， 依次分别为考虑水泥品种 、 水泥细度 、 骨 料、 水灰 比、 水 泥浆量、 初期养 护时间、 环境相 对湿 度、 构件 理论厚 度、 振捣 条件 、 配筋 率等条 件 的系 数 。 任意时间的收缩应变 e ( f ) 可表示 为其发展 速 度取指数 函数 的形式 ： ( )= ( ) ( 1一 e - 。 _ 。 ) ( 2 ) 式中， t 为浇筑时至计算时的时间( d ) 。 为了计算方便 ， 将混凝 土收缩引起 的应变差换 算成收缩当量温差 ， 计算公式如下： ， 、 T ( )一 ( 3 ) 式 中， O t 为混凝土线膨胀系数取 1 1 0 c一。 2 2 宽幅箱梁分析模型 采用 ANS YS 1 0 0通用 有 限元分 析软件建立 宽幅箱梁的空间块体元模型 ， 在模型上施加不 同当 量温 差 ， 可 计算 得 到各 收 缩工 况下 的应力 情 况。 ANS YS模型采用多线性等 向强化模型 MI S O模拟 混凝土本构关系。混凝土单轴应力应变关系上升段 采用 混凝土结构设计规范 _ 8 规定 的公式 ， 下降段 则采用 Ho g n e s t a d公式计算 。 3工程应 用 3 1 工程 概况 常平高架桥 ( 位 于从莞高速公路通过 常平镇路 段， 与规划的常平环镇路共线布设) 上部结构采用整 幅预应力混凝土连续箱梁 ， 全宽 3 3 5 r n ， 单跨跨径 分别为 3 0 r n和 4 0 m， 3 0 m 跨径组 合为 3 6跨一 联 ， 4 0 m跨径组合为 3跨或 4跨一联。宽幅箱梁设 计成单箱 6室结构 ， 底宽 2 7 8 0 m。3 0 m跨径梁高 1 7 m， 4 0 m 跨径梁高 2 3 m。3 0 m和 4 0 m跨 箱 梁的宽跨 比分别为 1 1 2和 0 8 3 。本文以 6 3 0 m 跨箱梁为背景 ， 研究混凝土箱梁横向收缩变形情况 。 图 1 为 3 0 I n跨径箱梁 1 2标准横截面。箱梁每联 沿 桥纵 向划 分 为多个 节段 采用 支架 现浇 施工 。 1 顶板2 顶板3 与护栏一起 筑 竺 竺垂 J E 竺! 壶 7 图 1 3 0 m 跨箱 梁 1 2标 准横 截面 F i g 1 1 2 T y p i c a l C r o s s S e c t i o n o f 3 0 m S p a n B o x G i r d e r 该桥下部结构采用 H形柱墩 ， 桥墩的两立柱呈 曲线形稍微外扩 ， 在墩顶处中心距 9 6 m( 即墩顶两 支座的横 向间距 ， 该值只 占箱梁全宽的 1 3 5 ) 。为 抵抗恒 、 活载 的横 向受力效应 ， 在端支点和中支点处 箱梁 内设置纵 向厚度分别为 2 4 I n和 3 6 IT 1 的强 大横梁 ， 这样的构造使 得与收缩相关 的理论厚度参 数在横梁和箱梁底板、 底板和腹板之间相差很大 。 3 2 节段收缩应变差及当量温度 按照 普 通 混 凝 土 配 合 比设 计 规 程 9 选 取 0 3 0 、 0 3 4 、 0 3 8三 种水 灰 比， 不 同水 灰 比对 应 的 M4 取值分别为 0 8 5 、 0 9 1 、 0 9 7 。系数 M8 在计算 施工节段龄期差导致 的收缩应变差时按照标准截 面 总体的理论厚度为相关参数确定 ， 3 0 IT I 跨径主梁标 准截面的理论厚度 的倒数为 0 0 6 5 2 c m- 。 ， M8取 0 6 7 。收缩应变系数取值见表 1 _ 7 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 桥 梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 2 0 1 3 ， 4 3 ( 3 ) 应 ， 在分析 时 不可 忽视 。 ( 2 )施工节段间的收缩应变差会使后浇节段在 接缝处产生较大拉应力 ， 甚至产生裂缝 。拉应力 的 大小和裂缝的开展主要 与先 、 后浇筑梁段的龄期差 相关 ， 节段混凝土施工龄期差不宜超过 4 5 d 。 ( 3 )箱梁各部位的不均匀收缩会使顶板 、 底 板 在靠近大横梁的位置产生拉应力。 ( 4 )合理优化混凝土水灰 比， 建议混凝土水灰 比小于 0 3 2 ； 加强大箱 梁混凝土施工期 的养护 ， 建 议混凝土的湿养护龄期大于 5 d 。 参考文献( R e f e r e n c e s ) ： 1 2 3 3 4 5 陈太聪 ， 苏成 ， 韩大建桥 梁节段施工 过程 中混 凝土 收缩徐 变 效 应 仿 真 计 算 J 中 国公 路 学 报 ， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 4 ) ： 5 5 5 8 ( CHEN Ta i t o n g ，S U Ch e n g，HAN Da - j i a n S i mu l a t i o n Ca l c u l a t i o n o f C o n c r e t e Cr e e p a n d S h r i n k a g e E f f e c t i n S e g me n t a l C o n s t r u c t i o n o f B r i d g e s J - C h i n a J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t ，2 0 0 3 ，1 6( 4 ) ：5 5 5 8 i n Ch i n e s e ) 谢峻 ， 王国亮 ， 郑 晓华大跨径预 应力混凝 土箱梁桥 长期下挠 问题 的研究 现状 J 公 路交 通科 技 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 4 7 5 0 ( XI E J u n， WANG Gu o l i a n g， Z HENG Xi a o h u a Cu r r e n t S t u d y o f L o n g Te r m De f l e c t i o n o f Lo 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 o x G i r d e r B r i d g e s J J o u r n a l o f H i g h wa y a n d Tr a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h a n d De v e l o p me n t ，2 0 0 7 ，2 4 ( 1 ) ：4 7 5 0 i n Ch i n e s e ) 王梓夫 ， 狄 谨大跨 径简 支转 连续箱 梁桥 收缩徐 变 效应分析 J 公路 ， 2 0 0 9 ， ( 7 ) ： 1 0 3 1 0 8 ( W ANG Z i - f u， DI J i n An a l y s i s o f S h r i n k a g e a n d C r e e p Ef f e c t o f a L o n g S p a n Co n t i n u o u s B o x Gi r d e r B r i d g e T r a n s f o r me d f r o m S i mp l y S u p p o r t e d O n e I- J Hi g h wa y ，2 0 0 9，( 7 )：1 0 3 1 0 8 i n Ch i n e s e ) 向中富 ， 谭景 文 ， 许 航 ，等非均匀收缩对 混凝上箱 梁桥挠 曲 变 形 的 影 响 J 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( S 1 )： 8 4 8 7 ( XI ANG Z h o n g f u ，TAN J i n g we n，XU Ha n g，e t a 1 I n f l u e n c e o f t h e No n - Un i f o r m S h r i n k a g e o n Fl e x u r a l D e f o r ma t i o n o f C o n c r e t e B o x Gi r d e r B r i d g e J J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ，2 O 1 1 ，3 0( S 1 ) ：8 4 8 7 i n Ch i n e s e ) 徐郁峰 ， 苏成 ， 王卫锋 ， 等崖 门大桥收缩 、 徐变效应 的计算与分析 J 桥梁 建设 ， 2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 4 3 4 7 ( XU Yu f e n g， S U Ch e n g，W ANG W e i f e n g，e t a 1 Ca l c u l a t i o n a n d An a l y s i s o f S h r i n k a g e a n d Cr e e p Ef f e c t o f Ya me n B r i d g e J B r i d g e C o n s t r u c t i o n ，2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 4 3 4 7 i n Ch i n e s e ) 6 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 J 桥梁建设 ， 2 0 0 4 ， ( 6 ) ： 1 3 1 6 ( DI NG W e n - s h e n g，LU Z h i t a o，M ENG S h a o p i n g， e t a 1 An a l y s i s a n d Co mp a r i s o n o f Pr e d i c t i o n M o d e l s f o r C o n c r e t e S h r i n k a g e a n d C r e e p J B r i d g e C o n s t r u c t i o n，2 0 0 4，( 6 )：1 3 1 6 i n Ch i n e s e ) 7 王铁梦工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 6 ( W ANG Ti e me n g Co n t r o l o f Cr a c k i n g i n En g i n e e r i n g S t r u c t u r e M B e ij i n g ：C h i n a A r c h i t e c t u r e & Bu i l d i n g Pr e s s ，1 9 9 6 i n Ch i n e s e ) 8 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混 凝土结构设计 规范 S ( GB 5 0 0 1 0 2 O 1 0 ，Co d e f o r De s i g n o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s S ) 9 2 J G J 5 5 2 0 1 1 ， 普通混凝 土配合 比设计规程 s ( J GJ 5 5 2 0 1 1，S p e c i f i c a t i o n f o r Mi x P r o p o r t i o n De s i g n o f Or d i n a r y C o n c r e t e S ) 1 0 2 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京 ： 清华大学 出版社 ( GU0 Zh e n ha l ，SHI Xu d on g Re i nf o r c e d Conc r e t e T h e o r y a n d An a l y s i s M B e i j i n g ： Ts i n g h u a Un i v e r s i t y P r e S S ，2 0 0 3 i n Ch i n e s e ) CH ENG Ta o 龚 勇 1 9 7 6 ， 男 ， 高级工程师 1 9 9 8年毕 业 于湖 南 大学 交通 土建 专业 ， 工 学 学 士 。研 究 方 向： 桥 梁 工 程 E - ma i l ： 1 8 7 7 0 9 4 4 q q c o rn 程 涛 1 9 7 6 一， 男 ， 高级工程 师 1 9 9 8年毕业 于 武汉 理 工 大学 交 通 土建专业 ， 工学学士 。研究方 向： 桥 梁工程 E - ma i l ： 1 6 6 5 4 5 4 6 q q c o m ( 编 辑 ： 杨晓燕 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m