收缩徐变效应对混凝土斜拉桥内力状态影响分析.pdf

一 G s 收 缩徐 变效应 对 混凝 土斜拉桥 内力状 态影 响分 析 李 小锋 ，宋景 涛。 ( 1 中讯 邮 电咨询设 计 院有 限公 司 ， 河南 郑 州 4 5 0 0 0 7 ；2 河南 中筑 建设 工程 有限公 司 ， 河南 新 乡 4 5 3 4 0 0 ) 摘要 ： 以一座运营 中的混凝土斜拉桥 为背景 ， 建立有限元模型 ， 研 究成 桥后 主梁在收缩徐 变效应下 内力状态 的变化 。根 据成桥 时 刻和成桥 十年后内力的 比对结果 ， 得 出运营期收缩徐 变效应对 主梁轴力 、 弯矩 、 下缘应力均有较大影响的结论 。 关键词： 渔凝土斜拉桥； 收 缩徐变； 应力； 裂 缝 0 引言 斜拉 桥作 为一 种塔 、 梁 、 索 三种基 本构 件 组成 的多次超静定结构体系 ， 其受力状态极其复杂 。大跨 度混 凝 土斜 拉 桥 是 对 收 缩 和 徐 变 效 应 比 较 敏 感 的结 构 ， 运 营期 的斜 拉桥 由于收缩 徐变 的作用 ， 结 构 位形 和 受力状 态 处于 不 停 的变 化 中 ， 桥 梁 的强 度 和 刚度 会 随 时间 有所 下降 。 因此 ， 对 混凝 土斜 拉桥 的收 缩 、 徐变 效 应 进行 准 确的 分 析 】 ， 找 出主 梁 在 收缩 徐 变 效 应 下 内 力 的变化 规律 和 变化 趋 势 ， 对 保 证 斜 拉桥 的结 构 安 全 和正常 使用 具有 重要 的意 义 。 本 文 以一座 运 营 中 的混 凝 土 斜 拉 桥 为 背 景 ， 建 立 有限元整体分析模型 ， 对主梁的受力状态进行真实的 模拟 ， 研 究 主梁成 桥后 内力 状态 的变 化 ， 以期 对 同类 型 桥梁 的设 计 、 施 工 和 日常维 护提供 可 供参考 的建议 。 l 工程概 况 该混凝土斜拉桥为双塔双索面全漂浮体系 ， 全长 4 8 8 1 T I ， 孔 跨 布 置 为 4 O 1T I + 9 4 m+2 2 0 IT I + 9 4 m+ 4 0 m。桥面 全宽 1 9 5 I T I ， 车道 布 置 为 2 2 5 +4 3 7 5 +2 2 5 IT I 。全桥立 面布置 如 图 1 所示 。 i 2 ,2 0 0 0 0 射H X 艟 9 4 墟 匙 9 4 X 卜 喜 “ ， 施 图 1 桥 梁 立面 布 置 图 ( 单 位 ： ram) 该 桥 共 设 拉 索 4 6 2组 ， 呈 扇 形 布置 。桥 塔 为 钢 筋 混凝 土 A 型塔 墩 。 主梁 横 截 面 为 双 箱 双 室 三 角 形 箱 梁 ， 顶 板 厚 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 2 l 4 o上 么赡 N 。 3 2 0 1 5 2 0 0 mm， 腹板 厚 2 5 0 mm， 中跨 底板 厚 2 0 0 mm， 边跨 底 板厚 度在 2 0 0 3 5 0 mm 之 间变 化 。主 梁 为 三 向预 应 力布束， 顶板、 底板均设有纵向预应力束 ， 每隔 4 I T I 有 一 道横隔梁， 横隔梁设横 向预应力束 ， 斜拉桥锚固段的 主箱 梁 的腹 板 内设 有 竖 向预 应 力 束 。预 应 力 束 均 为 咖 5 高强 钢 丝束 。拉索 采 用 直 径 7 mm 镀 锌 高 强 钢 丝 同心绞 合 而 成 ， 锚 固 在 三角 箱 的 外 端 ， 拉 索 间 距 为 8 m。该桥 主塔、 主梁等主体结 构采用 C 4 5混 凝土 。 主梁标 准 断面形 状如 图 2 所 示 。 图 2主 梁 标 准 断 面图 ( 单位 ： mm J 2有 限元模 型 有 限元模 型采用 有 限元分 析 软件 MI DAS C I VAL 建立 ， 采用 空 间梁单元 模 拟主塔 与 主梁 ， 杆单 元模 拟 拉 索 。该桥 主梁 为双箱 截 面 ， 因此 采 用双纵 梁模 拟 主 梁 ， 如 图 3所示 。 图 3有 限 元 整 体 分 析 模 型 依 据实 际 施 工 步 骤 ， 该 桥 共 划 分 为 1 8个 施 工 阶 段 ， 如表 1 所 示 。 分别选取成桥时刻和成桥后十年两个时间点主梁 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的内力状 态 进 行 对 比分 析 。计 算 采 用 的 规 范 为 J T G D 6 2 2 0 O 4 ( 公 路钢 筋 混 凝 土及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵设 计 规 范 。 表 1 施 工 阶段 划 分 阶段 编 号 施 _ r内容 1 基础 、 桥塔施工 搭设临时支架 ， 现浇 3 O#4 3#、 8 7 #1 0 0#箱室 ， 张 2 拉 B l 、 Z 1 拉索 移 动挂 篮 ， 现 浇 2 8# 、 2 9# 、 4 4#、 4 5#、 8 5 # 、 8 6 # 、 1 0 1 3 #、 1 0 2 #箱室 ， 张拉 B 2 、 Z 2拉索 移 动挂篮 ， 现 浇 2 6 #、 2 7#、 4 6#、 4 7#、 8 3 #、 8 4 #、 1 0 3 4 #、 1 0 4#箱室 ， 张拉 B 3 、 z 3拉索 移动挂篮 ， 现 浇 2 4 #、 2 5 #、 4 8#、 4 9#、 8 1#、 8 2#、 1 0 5 5 #、 1 0 6 #箱室 ， 张拉 B 4 、 Z 4拉索 移 动挂 篮 ， 现 浇 2 2 # 、 2 3 # 、 5 O#、 5 1#、 7 9 # 、 8 0 # 、 1 0 7 6 #、 1 0 8 #箱室 ， 张拉 B 5 、 z 5拉索 移动挂 篮， 现 浇 2 0 #、 2 l #、 5 2#、 5 3#、 7 7#、 7 8 #、 1 0 9 7 #、 l 1 0#箱室 ， 张拉 B 6 、 Z 6拉索 移动挂篮 ， 现 浇 1 8 #、 1 9#、 5 4#、 5 5#、 7 5 #、 7 6 #、 l 1 1 8 #、 1 1 2#箱室 ， 张拉 B 7 、 Z 7拉索 移 动挂篮 ， 现 浇 1 6 #、 1 7 #、 5 6#、 5 7#、 7 3 #、 7 4 #、 1 1 3 9 #、 1 1 4#箱室 ， 张拉 B 8 、 z 8拉索 移 动挂篮 ， 现 浇 1 4#、 1 5#、 5 8#、 5 9#、 7 1 #、 7 2 #、 1 1 5 1 0 #、 1 1 6#箱室 ， 张拉 B 9 、 z 9拉索 移动挂篮 ， 现 浇 1 l#、 1 2#、 1 3#、 6 0#、 6 1#、 6 9#、 7 0 1 l #、 1 1 7#、 1 1 8 #、 1 1 9 #箱室 ， 张拉 B I O 、 Z I O拉索 移 动挂篮 ， 现 浇 9#、 1 0#、 6 2#、 6 3#、 6 7#、 6 8#、 1 2 0 1 2 #、 1 2 1 #箱室 ， 张拉 B 1 1 、 Z 1 1 拉索 1 3 移 动挂篮 ， 现浇 8 #、 6 4 #、 6 5 #、 6 6 #、 1 2 2 #箱 室 1 4 满 堂支架现浇 1 #7 #、 1 2 3 #1 2 9 #节段 ， 安装支座 1 5 张拉 TO拉索， 拆除桥塔 附近 临时支架 1 6 满堂支架现浇 N4 8节段 1 7 桥 面铺装 1 8 运 营 阶段 3 分析 结 果 3 1 对 主梁 轴力 的影 响 利用 整体 有 限元 分 析模 型进 行 计 算 ， 得 出恒 载 + 预应力组合作用下该桥成桥时刻和成桥十年后主梁轴 力值 ， 取 半跨计 算 结果 ， 示于 图 4中 。 0 -1 o0 oo - 2 0 ) f ) 互 一 3 0 x ) ；枷 登- 5 0 13 o o -6 0o o( ) 一7 0o o o 一 8 0( X m s 一一s ：E 梁坐标， ) 40 60 8 0 1 ( 】 ( )J 2 0 4 ( )J 6 0 1 8 0 2 O 0 2 2 0 2 成桥时女 h 成桥 十 自 踌胯 中 力 路路 中 桥 中跨 ，4 中跨 中 图 4恒载+预应力组合作用下不 同时刻 主梁轴 力对 比图 从 图 中可 以看 出 ， 运 营期 收缩 徐 变 效 应 使 主梁 各 截 面轴力 均变 小 ， 但 轴力 的改变量 不是 很大 ， 各 控 制截 面两个时刻的轴力值及轴力改变量对比见表 2 。中跨 跨 中梁段 由于运 营期 收缩徐 变效 应所 导致 的轴 力 改变 量最 大 ， 达到 了 4 0 2 7 k N， 约为 成桥 时刻 轴 力 的 l 5 ； 其余控制截面 的轴力 改变量都在成桥 时刻轴力值 的 1 0 9 5 以 内 。 表 2 主梁控 制截面 成桥 后十年收缩徐变产生的轴力改变量 成桥 时刻 成桥十年 轴力改变 轴力改变 位置 轴力值 k N 轴力值 k N 量 k N 百分 比 辅助跨跨 中 一6 9 3 4 5 6 6 1 3 9 8 3 2 0 5 2 4 6 2 边跨跨 中 一4 9 O 1 5 4 4 9 6 8 8 4 0 4 6 2 8 2 6 桥塔处 一4 9 8 3 3 4 5 8 3 2 2 4 0 0 0 8 8 O 3 中跨 1 4位置 4 8 9 6 4 9 4 4 8 9 4 1 4 0 7 0 8 8 3 1 中跨跨 中 一2 6 3 9 1 8 2 2 3 6 4 8 4 O 2 7 1 5 3 3 2对 主梁 弯矩 的影 响 主梁 在不 同 时刻 的弯矩 对 比和各 控制截 面 的弯矩 值及弯矩改变量分别见图 5和表 3 。 2 0【 ) 【 ) 1 ) 1 0 X x 】 暑0 粤 一 1 0 0 0 0 静 盏一 2 0 一3 O( X X ) 4 0f ， 0 0 图 5恒 载 + 预 应 力 组 合 作 用 下 不 同 时刻 主梁 弯矩 对 比 图 N o 3 2 0 1 5上 么魄 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 主梁控制截面成桥后十年收缩徐变产生 的弯矩改变量 成桥 时刻 成桥 十年 弯矩改变 弯矩改 变 位 置 弯矩值 k N 弯矩值 k N 量 k N 百分I： L 辅 助跨 跨 中 1 4 6 1 4 5 1 0 0 1 7 8 4 5 9 6 7 3 1 5 边跨跨中 8 5 9 4 3 4 7 3 1 9 2 5 l 2 7 5 1 1 4 8 桥塔 处 一2 3 9 l 4 7 2 1 0 9 4 5 2 8 2 0 2 1 1 8 中跨 1 4位置 一2 0 5 6 0 5 2 3 l 9 4 4 3 7 6 2 l 2 8 巾跨 跨 中 一1 8 4 9 2 8 3 3 4 1 3 l 1 5 1 5 1 5 8 1 9 从 图 5和表 3中可 以看 出 ， 运 营期 收 缩 徐 变对 该 桥主梁的弯矩值影响较大， 收缩徐变导致大多数主梁 截面的弯矩值减小 。收缩徐变效应对巾跨主梁弯矩的 影 响尤 为明 显 ， 在 中跨 1 4 位 置 附近 ， 十年 收缩 徐 变导 致 的弯矩 改 变 量 达 到 2 l 2 ， 中 跨 跨 中处 弯 矩 值 也 大 幅 减小 ， 改变 量达 到成 桥弯矩 的 8 O 。 3 3对 主梁 剪 力的影 响 主梁 在不 同时刻 的剪力 对 比和各 控制截 面 的 剪力 值及 剪力 改 变量分 别示 于 图 6和 表 4中 。 I ( 】 m 8f X 砌 6( m0 4 ( x 1 0 2(删 ) “ 一 2( M m 4 ( H ) 0 6( 1 f ) 0 8 0 ) 一 m f ) 辅助跨跨中 边跨跨中 桥塔 中跨 1 4 中跨跨 中 图 6恒载 +预 应力组合作用下不同时刻主梁剪力对 比图 表 4主 梁 控 制 截 面 成 桥 后 十 年 收 缩 徐 变 产 生 的 剪 力 改 变 量 成 桥 时 刻 成 桥 十 年 剪力 改 变 剪 力 改 变 位 置 剪力值 k N 剪力值 k N 最 k N 百分 比 辅 助跨跨 中 一l 3 0 8 6 2 一l l 4 1 0 5 1 6 7 5 7 1 2 8 边跨跨 中 5 4 2 5 6 5 4 1 5 8 0 9 8 0 1 8 桥塔处 7 6 6 3 6 3 6 8 4 l 一1 2 9 4 5 9 1 6 9 巾跨 1 4位置 一6 1 7 2 9 5 9 3 4 9 2 3 8 3 8 6 巾跨跨 中 6 0 4 2 1 2 O 2 5 5 9 8 3 9 9 从 图 6和表 4中可 以看 出 ， 运 营期 收 缩 徐 变 效应 对 该桥 主梁 的剪 力 值 影 响较 小 ， 而 主梁 自身 的 剪 力值 4 2 上踢 么赡 N 。 3 2 0 1 5 也较 小 ， 因此 可认 为 剪 力 不对 主梁 的受 力状 态 起 控 制 作用 。 3 4对 主梁 下缘 应力 的影 响 主梁 下缘 在不 同时刻 的纵 桥 向正应力 对 比和各 控 制 截 面 的 应 力 值 及 应 力 改 变 量 分 别 示 于 图 7和 表 5中 。 墨 群 州一 一I 2 一l 4 粱坐标， m 。 ： I 40 l 6 ) 】 8 0 2 ( x】22 0 2 4 ， 3 +成 桥 时 刻 一成 桥 t 年 f 助跨跨， 一 边跨跨 桥塔 中j 等 1 4 中跨跨中 l 图 7恒载+预应力组合作用下不同时刻主梁下缘应力对比图 从 图 7中可 以看 出 ， 收缩 徐 变 导致 主梁 各 个 截 面 下缘纵 向压应 力 减 小 ， 中跨 尤 为 明显 。从 表 5中可 看 出 ， 中跨 跨 中的有 效 压应 力减小 量达 到 了 7 5 左 右 。 表 5 主梁控制截面成桥后十年收缩徐变产生 的下 缘 应 力 改变 量 成桥时刻 成桥十年 应力改变 应力改变 位置 应力值 MP a 应 力值 MP a 最 MP a 百分 Ir L 辅助跨跨 中 一1 1 3 8 7 2 2 5 8 2 2 8 边跨跨 中 4 4 5 2 4 7 1 9 8 4 4 5 桥塔处 一l 1 9 8 8 5 3 0 5 2 5 6 中跨 1 4位置 6 6 4 3 3 3 3 4 5 0 3 中跨 跨 中 一 7 8 6 一 1 9 7 5 8 9 7 4 9 4 结 语 从 上 面的计 算结 果 可 以看 出 ， 运 营期 的 收 缩 徐 变 效 应对 该桥 主梁 的受力 状 态有较 大影 响 。收缩 徐 变 对 该 桥主 梁 内力状 态 的影 响 为 ： ( 1 ) 主梁 轴 力 减 小 。收 缩 徐变 效 应 导 致 主 梁 轴 力 值 减小 ， 但减 小量 不是 很大 ， 除 中跨跨 中附近 区域 轴 力 减 小量 约为成 桥 时刻轴 力 值 的 1 5 外 ， 其他 位 置 处 主 梁 轴力 的改 变量 都不超 过成 桥 时刻对 应位 置 主梁 轴力 值 的 1 0 。 ( 2 ) 主梁 弯矩 值改 变 。收缩徐 变 ( 下转 第 4 6页) 0 0 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从表 3结 果可 以看 出 ， 合 并断缝 ( 方 案一 ) 后 “ 内拱 脚” 处 水平 位移 显著 减小 ( 一2 7 mm) 。但 是 由 于构 件 间 约 束 过 大 ， 使 得 拱 顶 产 生 了 较 大 的 轴 拉 力 ( 1 7 0 0 2 k N m) 。合 并 断缝 的 同 时将 梁 和 拱 分 离 ( 方 案二 ) 则 收到较 好 的效果 ， 原“ 内拱脚 ” 处水 平位 移 显 著 减小 ( 2 8 mm) ， 且 由于新 增 断缝释 放 了边 孑 L 刚构 的 约 束， 降温作用在拱顶 和“ 内拱脚” 处产生 的轴力和弯矩 均较 小 ， 此 外 梁拱 分 离 后 ， 拱桥 的受 力特 点 更 加 突 出 ， 恒 载作 用 下轴 压力增 大 、 正弯矩 减小 。 3 结 语 ( 1 ) 桁式 组合 拱桥 在结 构体 系上存 在一 定 的缺 陷 ： 由于断缝 的设 置 ， 在 整体降 温和 收缩 作用下 ， “ 内拱 脚” 处 会发 生较 大 的远 离 拱 顶方 向 的水 平 变位 ， 因此 造 成 拱 顶 的挠 度 以及 正 弯 矩显 著 增 大 ， “ 内拱 脚 ” 出 现较 大 负弯矩 ， 从 而 引 起 这 两 处 截 面 拉 应 力 过 大 、 承 载 力 不 足 。 ( 2 ) 合并 原断 缝 可 以有 效 降 低 “ 内拱 脚 ” 处较 大 的 水平位移 ， 同时在梁拱结合处新增断缝( 梁拱分离) ， 释 放了边孔 刚构的约束 ， 减小了温度作用效应 ； 而且拱桥 的受 力特 点更 加 突 出 ， 恒 载作 用下 拱顶 段轴 压 力增 大 、 正 弯矩减 小 。 ( 3 ) 导致桁式组合拱桥出现 明显的受力病 害原 因 除超 载 等使用 不 当外 ， 原始 经 济 的 设计 理 念 导 致 主拱 实腹 段 刚度不 足 有 密切 关 系 ， 断缝 的设 置 使 中央拱 段 受力 更加 不利 。 参 考文 献 ： E 1 3陈天本 桁式 组合 拱桥E M ， 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 2 3姚 国文 ， 陈勇 在役桁式组合拱 桥承载力评估 与加固方法研 究 J 重 庆 交 通 大 学 学 报 ：自然 科 学 版 ) ， 2 0 1 2( S 1 ) ： 6 96 69 9 3 黄小平 ， 韦忠胜盐 津河大 桥病 害分析 及加 固E J 3 公路 2 00 6( 2)：1 2 - 1 8 F 4 3姚正治 ， 宁杰 ， 陈强 ， 等 盐津河 大桥 结构加 固方案 E c 3 中 国公路学会 第三届全 国公路桥 梁维修 与加 固技 术研讨会 论文集 2 0 0 2 E 5 3宋雷 ， 周志祥 ， 周锐 大跨 度桁式组 合拱桥 结构损 伤对其 动 力特性 的影响E J 3 重庆交通学院学报2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 - 5 6 J J T G 0 2 3 8 5公路钢 筋混凝 土及 预应 力混凝 土桥涵设 计 规 范 s 1 9 8 5 E 7 3杜镔 ， 贾 宁， 丁作常 ， 等桁 式组 合拱桥 体 系温变及 混凝 土 收缩内力计算参 数取 值分 析与 探讨 J 贵 州科 学2 0 0 7 ( S 1 ) ：2 2 3 2 2 9 E 8 3何飞 ， 郭广启 ， 杜镔 ， 等桁 式组 合拱桥 参数取 值 以及计算 方法研究E J 3 中外公路2 0 1 0 ( 3 ) ：1 3 9 1 4 3 E 9 3 J TG D 6 0 2 0 0 4公路桥涵设计通用规范E s 2 0 0 4 ( 上接 第 4 2页) 效 应 对主 梁弯 矩 的影 响 比较 明显 ， 导 致 大多数主梁截面弯矩值减小 。在中跨跨 中附近， 弯矩 改 变量 超 过 了成 桥 时刻弯 矩值 的 2 0 0 9 6 。 ( 3 ) 主梁剪 力 的改 变 。收 缩 徐 变 导致 主梁 剪 力 值 发生一定程度的变化 ， 但改变量很小 ， 可忽略 。 ( 4 ) 主梁 下 缘 纵 向应 力 的减 小 。运 营期 十 年 收 缩 徐 变导 致主 梁 的下缘 压应 力大 幅减 小 ， 总的来 说 ， 中跨 主梁 的压应 力 损 失 大 于边 跨 。成桥 十 年 后 ， 中跨 跨 中 位 置 处 主 梁 下 缘 的 纵 向 压 应 应 力 仅 为 成 桥 时 刻 的 2 5 。 4 6 上踢么姥 N o 3 2 0 1 5 运 营期 收缩徐 变 效 应 导 致 主梁 轴 力 、 弯 矩 和 下 缘 压应 力 明显减 小 ， 而根据 现场 检测 结果 ， 该 桥跨 中位 置 处 主梁 底板 和斜 腹 板开 裂 现 象 比较 普 遍 ， 可 初 步 判 定 收缩 徐 变效应 是 主跨 跨 中处 主梁底 板 和斜腹 板 开裂 的 主要 原 因之一 。 参 考文 献 ： 1 姚 康宁大跨度混凝土斜拉桥运营阶段混凝 土收缩徐变影 响研 究E D 3 湖南 ： 长沙理工 大学 ， 2 0 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m