不同龄期混凝土收缩徐变对三塔结合梁斜拉桥的影响.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 1 0年 9月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f H U S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) V0 1 27 No 3 S e p 2 0 1 0 不同龄期混凝土收缩徐变对三塔结合梁斜拉桥的影响 刘沐宇， 程 涛 ( 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 湖北武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 为了研究混凝土桥面板收缩徐变效应对三塔结合梁斜拉桥的影响， 以武汉二七长江大桥为工程背景， 采用桥梁专业软件 MI D A S C I V I L ， 考虑不同龄期的混凝土板， 建立全桥有限元模型， 分析了三塔结合梁斜拉桥 在收缩徐 变影 响下挠度及应力 的变化 。结果表明： 混凝土的收缩徐变引起 二七长江大桥主跨挠度增加 7 6 c m， 塔顶水平位移增大 5 6 c m， 同时也使钢主梁拉应力增加 1 0 9 M P a ， 混凝土板压应力减小 0 6 M P a 。混凝土加载 龄期越长， 对三塔结合梁斜拉桥挠度和应力的影响越小， 并在混凝土龄期达到 1 8 0 d后对斜拉桥的影响趋于稳 定 。 关键词： 钢 混凝土结合梁； 收缩徐变； 不同加载龄期； 挠度； 应力 中图分类号 ： U 4 4 8 2 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 0 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 3 -0 0 0 6 - 0 5 近年来， 由于钢一 混凝土结合梁具有 自重轻 、 强度高 、 刚度大等特点 ， 在我国桥梁建设的应用中 13 趋广泛。在建 的武汉 二七 长江大桥是 主梁 采用钢结构 ， 桥面板为混凝土结构 ， 主梁与桥面板 用剪力件连接的世界上最大跨度的三塔结合梁斜 拉桥。钢一 混凝土结合梁是 由性质不同的两种材 料结合在一起 的整体结构 ， 由于混凝土的收缩徐 变影响， 将在钢和混凝 土的结合 面上产生相互作 用力 ， 导致内力重分布， 并致使结构产生大量的附 加变形【 2 J 。混凝土收缩徐变是随时 间变化的， 导 致不同龄期 的混凝土引起 的效应有很大的区别 ， 很多结合梁桥为了防止混凝土收缩徐变产生过大 的挠度和应力变化， 采用将预制混凝土板放置若 干时间再进行架设 的方法。因此 ， 研究不同龄期 混凝土收缩徐变对结合梁斜拉桥 的影响效应 ， 可 以给同类桥型的设计和施工提供参考 。 混凝土收缩徐变对桥梁 的不利影 响， 很早就 引起了国内外学者和工程界 的重视。由于试验工 作的困难 ， 在已有 的关 于混凝土收缩徐变效应分 析的文献中 ， 多采用理论分析和计算模拟。S a l v a t o r e 推导 了按龄期调整的混凝 土模量计算式 ， 并 对计算参数取值 的有效性进行 了分析 ； 吴 冲等 采用有效弹性模量法对大跨度结合箱梁斜拉桥的 混凝土收缩徐变应力进行了计算分析 ； 叶梅新 等结合具体工程实例 ， 采用有 限单元法分析 了由 于徐变引起 的应力重分布 ， 并探讨 了不同龄期混 凝土弹性模 量 的取值 J 。尽管 已经有很多学者 对混凝土的收缩徐变效应进行 了研究 ， 但是对三 塔结合梁斜拉桥有关收缩和徐变的研究还较少。 本文 以武汉二七长江大桥为工程背景 ， 建立 全桥有限元模型 ， 在建模时分别考虑混凝 土板的 加载龄期为 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d 、 2 7 0 d ， 分析 了三塔 结合粱斜拉桥在收缩徐变影响下的挠度及应力变 化情况。同时 ， 对不 同龄期混凝土收缩徐变产生 的影响效应进行讨论 ， 计算 表明将混凝土板放置 1 8 0 d后再进行架设可以有效地减小混凝土收缩 徐变对三塔结合梁斜拉桥的影响， 本文的分析结 果可为三塔结合梁斜拉桥设计和施工提供参考 。 1 工程概况 武汉二七长江大桥主桥结构为三塔双索面斜 拉桥 ， 全桥总长 1 7 3 2 1 11 ， 详细布置为 9 0 n l +1 6 0 n l + 6 1 6 I n +6 1 6 I n+1 6 0 1 1 3 + 9 0 m， 见图 l 。两边跨 各设一个辅助墩 ， 主梁纵向采用半漂浮体系 ， 墩塔 固结， 中塔采用 塔梁铰 接， 全桥共设斜拉 索 1 3 2 对 ， 标准节段索距在主粱上为 l 3 5 m。桥塔为花 瓶型钻石构造钢筋混凝 土结构 ， 主塔高度为 2 0 6 m。 主桥桥面体系采用双工字型钢主梁与混凝土 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 0 1 5 修回 日期 ： 2 0 1 0 - 0 6 - 0 9 作者简 介：刘沫宇( 1 9 6 3 - ) ， 男， 江苏滨海人 ， 教授 ， 博士， 研究方向为桥梁工程( E ma i l ： l i u m u y u p u b l i c w h h b c n ) 基金项 目： 武汉市建设科技项 目( 2 0 0 9 2 3 ) 第 3期 刘 沐宇等 ： 不同龄期混凝土 收缩徐 变对三塔结合梁斜拉桥的影响 7 桥面板组合而成的结合梁桥面形式 ， 见 图 2 ， 两工 字型钢主梁中心距 3 O 5 m， 主梁梁高 2 9 3 5 m； 横 梁纵桥向间距 4 5 m， 横梁高度与钢主梁一致 ； 混 凝土板厚度为 2 6 c m， 为 了减小收缩徐变对 三塔 汉 口 - ： ： ： 一 结合梁斜拉桥的影响 ， 该桥将混凝土板放置 1 8 0 d 后再采用栓钉与钢主梁连接。汉 口及武昌岸主梁 9 0 m边跨采用现浇混凝 土梁 ， 以增加粱体 自重 ， 避免边墩和辅助墩出现负反力 。 武 昌 1 7 3 2 6l 6 r 9 l 。 图 l 二七 长江大桥立面 图( 单位 ： i n ) 9 5l 2 25 1 2 0 0 l 1 0 0 。 1 2 0 0 2 25 9 5 9 厘米沥青混凝土铺装 ， 2 鼠 胆 ， 2 。 重 ： 一 _ - I l J_ I l 量 桥 梁 心 线 I 暑 l l一 昌 1 图2 钢- 混凝土结合梁横断面图( 单位： e m) 2 混凝土收缩徐变效应分析 2 1 全桥分 析 模型 按照桥梁实际结构尺寸 ， 采用桥梁专业软件 MI D A S C I V I L建立有 限元模型。主梁 和塔 采用 梁单元 ， 斜拉 索采 用桁 架单 元。主塔共 有单 元 3 6 6个 ， 结合梁主梁共有单元 9 4 0个 ， 混凝土主梁 共有单元 4 8个 ， 每根斜拉索由塔上的节点和相应 的主梁上 节点连 接而成 的单个 单元来 构成 ， 共 1 3 2个单元 。全桥共 1 4 8 6个单元 ， 1 3 6 2个 节点。 该桥的有限元模型见 图 3 。 图 3 全桥 有限元模型 二七长江大桥的主梁有钢、 混凝土两种材料 ， 桥塔为混凝土 ， 斜拉索为高强钢绞线 ， 模型中各部 分材料参数如表 1 。 表 1 材料参数 根据该桥设计思路 ， 主桥施工共划分为 7 9个 施工阶段 ， 其中每个标准梁段 的施工流程为： ( 1 ) 用架梁 吊装 n号钢 主梁、 钢横梁及小纵 梁 ； ( 2 ) 安装 1 7 , 号 主梁对应 的斜拉索 ， 进行初 张 拉 ； ( 3 ) 安装预置桥面板 ， 二次张拉 , 号主梁对 应 的斜拉索 ； ( 4 ) 完成 凡号主梁安装 ， 前移 吊机 ， 安装( n+ 1 ) 号钢主梁、 钢横梁及小纵梁。 本模 型所考虑的荷载主要包括恒载 、 二期恒 载 、 活载和温度荷载 ， 其 中恒载包括 自重 、 拉索初 8 华中科技大学学报( 城市科学版 ) 2 0 1 0焦 拉力与基础沉降， 活载按公路一级设计， 按照 公 路桥涵设计通用规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 的相关规 定进行组合。 2 2收缩徐变效应分析 在混凝土收缩分析 中， 由于混凝土收缩 与构 件内部应力无关 ， 只是关于时间的函数 。混凝土 收缩引起的应变可以表示为 。 ( t ， t )= 。 ( t f ) ( 1 ) 其中， 为名义收缩系数 ， 。 为收缩随时间发展 的函数。 在三塔结合粱斜拉桥分阶段施工过程 中， 混 凝土的徐变系数随着时间发展不断变化 ， 因此 ， 在 进行徐变分析时 ， 采用叠加法模拟施工过程可以 得到较为精确 的结果 ， 但是会导致计算过程非常 复杂 ， 需要借助有限元软件进行辅助计算 。 混凝土徐变应力与应变本构关系为： r 1 占 ( ) = O c ( 。 ) 【 赢 + C ( t ，。 ) J ( 2 ) 其中 ， ( ) 为混凝土总应 变， ( t 。 ) 为混凝土应 力 ， E ( t o ) 为混凝土弹性模量， C ( ， t 。 ) 为混凝土徐 变度， 其表达式为 ： c( c fJ ) = ( 3 ) 式中， ( t ， t 。 ) 是加载龄期为 t 。 ， 计算考虑龄期为 t 时的徐变系数。 根据我国现行 的 公路桥涵钢筋混凝 土及预 应力钢筋混凝土设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) ， 混 凝土徐变系数可按下列公式计算 ： ( t ， t 0 )= P o 3 ( t t 0 ) ( 4 ) 其中， 为名义徐变系数 ， 。 为加 载后 徐变随时 间发展的系数。 依据线性徐变理论 ， 采用叠加原理 ， 式( 2 ) 可 以表示 为 ： ( t )=I c ( t 一 7 - ， ) d ( t )+占 ( t o ) ( 5 ) J t o 图4 8以及表 2给出了武汉二七 长江大桥 成桥阶段和正常运营阶段 主梁挠度 、 塔顶水平位 移、 桥面板以及钢主粱上、 下缘应力情况。 0 2 0 0 一 O 2 一 O 4 一O 6 一O 8 1 O 0 V V l l 、 一 成桥初期一 一运营l 0 年 图 4主梁挠度曲线 g Z 一 成桥阶段 一一运营阶段 图 5 钢主梁上缘应力 O O O E+0 0 -2 O O E+0 4 一4 0 0 E+0 4 主 一 6 0 0 E + 0 4 一 8 0 0 E+0 4 1 0 0 E+ 05 一1 2 0 E+ 0 5 一 1 4 0 E+ 0 5 一1 6 O E+ 0 5 吕 Z 一 舀 Z 一 一 成桥阶段 一一运营阶段 图 6 钢主梁下缘应力 一 r r ， 一 成桥阶段一运营阶段 图 7 混凝土板上缘应力 一 成桥阶段一运营阶段 图 8 混凝土板下缘应力 表 2 挠度 与应 力计算结果 注 ： 表中挠度单位为 IT i ， 向下为 负； 应力单位 为 M P a ， 拉应 力为 正 ， 压应力为负 。 从图4 8以及表 2中可以看出， 结合梁主梁 的挠度明显增大 ， 达 到了 7 6 c m， 塔顶 的水平位 移也增大了5 ， 6 c m； 混凝土板 的压应力变化不是 很明显 ， 只降低了0 6 M P a ， 相对于混凝土应力减 小而言 ， 钢主梁压应力变化比较 明显 ， 增加了1 0 9 MPa O 4 4 4 4 5 5 5 5 5 O 0 O O O 0 O O O O +十+ E E E E E E E E E E O 0 O O O O O O O O O O 0 O O O 2 4 6 8 O 2 4 6 8 l l l l 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 O 3 0 4 4 4 4 5 5 O O O O 0 O O O O +十 E E E E E E E E E 加 4 2 O 2 4 6 8 一 一 一 一 一 一 3 O 4 4 4 4 4 4 0 O 0 O O 0 O O + + + 十 + + + + E E E E E E E B 加 2 O 2 4 6 8 l l 一 一 一 一 一 一 第3期 刘沐字等 ： 不同龄期混凝土收缩徐变对三塔结合梁斜拉桥的影响 9 2 3 不同龄期混凝土收缩徐变影响效应对比分析 由于时间的变化 ， 混凝土强度不断提高 ， 尤其 是对于高强度混凝 土而言 ， 其 内部组织结构 很快 会变密实 ， 随着加载龄期的增大 ， 徐变变形快速减 小 ， 由于混凝土收缩徐变所产生 的效应也会 随之 变小。 为了研究不同加载龄期的混凝土对三塔结合 梁斜拉桥的影响， 在施工阶段建模过程中， 分别定 义混凝土板加载龄期为 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d和 2 7 0 d ， 选取我国 公路桥涵钢筋混凝土及预应力钢筋 混凝土设计规范 ， 根据规范 中的公式软 件 自动 计算混凝土徐变系数随时间的变化 ， 从而得 到不 同龄期混凝土板对 三塔结合梁斜拉 桥的影 响效 应。图 9一l 3分别给出了不同加载龄期的混凝土 桥面板收缩徐变对三塔结合梁斜拉桥主梁挠度 以 及应力的影响。 一 目 一 0 5 O 一1 o o 誊- 1 5 0 一 一 - 2 0 0 - 25 0 图 9 主梁最大挠度 时间 ( d ) 图 1 O 钢主梁最大上缘应力 图 1 1 钢主 梁最大下缘应力 一 日 山 一 一 c 口 一 时 问 ( d ) 图 1 2 混凝土板最大上缘应力 时问 C d ) o l 8 0 7 2 0 1 4 4 0 2l 6 0 2 8 8 0 3 6 0 一 2 8 天龄期 +9 0 天龄期 一 一 l 8 O 天龄期 - , - 2 7 0 天龄期 图 1 3混凝 土板最大 F 缘应 力 由图 91 3对 比分析可 以看出 ， 由于加载龄 期的不同， 混凝土收缩徐变所产生的效应也是不 同的。加载龄期越长， 引起的挠度变化越小 ， 钢主 梁以及混凝土板 的应力变化也越小 。但从 2 8 d 龄期 ， 9 0 d龄期 ， 1 8 0 d直到 2 7 0 d龄期的混凝土 来看 ， 收缩徐变对结合梁斜拉桥影响减小的趋势 也越来越小 ， 尤其是 1 8 0 d和2 7 0 d龄期的混凝土 相比， 基本 已经没有变化， 趋 于稳定 。因此 ， 武汉 二七长江大桥在施工过程中将预制混凝土板放置 1 8 0 d后再进行架设 ， 可 以有效地预 防混凝 土收 缩徐变对结合梁斜拉桥挠度和应力的影响。 3 结 论 ( 1 ) 混凝土收缩徐变效应引起 主梁竖向挠度 增大 ， 塔顶水平位移也相应增 大。在混凝土收缩 徐变 的影响下 ， 二七长江大桥的主梁挠度增大7 6 e m， 塔顶的水平位移增加 5 6 c m。 ( 2 ) 混凝土收缩徐变对混凝土桥面板 的应力 影响不大； 相对于混凝土板而言 ， 钢主梁应力影响 较为显著 。在二七长江大桥 中， 由于混凝土的收 缩徐变 ， 混凝土桥面板压应力减小 0 6 MP a ， 钢主 粱 拉应 力增 量达到 了 1 0 9 MP a 。 ( 3 ) 混凝土加 载龄期越 长 ， 产生 的收缩 徐变 效应越小， 但 当混凝土龄期达到 1 8 0 d时 ， 对三塔 结合梁斜拉桥挠度和应力 的影响 已经趋于稳定 。 因此 ， 在武汉二七长江大桥的施工中， 将混凝土桥 面板放置 1 8 0 d后再进行架设 ， 可以有效地减小 O 2 4 6 8 0 2 一 一 一 一 O 2 4 6 8 O 2 一 一 一 一 O 跚 舳 一 一 一 一 l 0 华中科技大学学报 ( 城 市科学版 ) 2 0 1 0年 收缩徐变对三塔结合梁斜拉桥的影响， 是合理的， 可以为同类桥型的设计与施工提供参考。 2 3 参考文献 雷 自学 ， 晏兴威 ，董三升混凝土收缩徐 变效应对 曲线钢一 混凝土箱型结合梁桥的影响 J 长安大学 学报( 自然科学版 ) ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 5 ) ： 7 7 - 8 0 邱文亮 ， 姜萌 ， 张哲钢一 混凝土组合梁收缩徐 变分析 的有限元方法 J 工程力学，2 0 0 4 ，2 1 ( 4 ) ：1 6 2 - 1 6 6 S l a v a t o r e G M，C l a u d i o MP r e fl e x b e a m：a me t h o d o f 4 5 6 c a l c u l a t i o n o f c r e e p a n d s h r i n k a g J J o u r n a l o f B ri d g e E n g i n e e r i n g ， A S C E， 2 0 0 6 ，1 1 ( 1 ) ： 4 8 - 5 8 吴 冲， 曾明根大跨度组合箱梁斜拉桥混凝土收 缩与徐变应力分析 J 世界桥梁 ， 2 0 0 4， ( s 1 ) ： 3 7 41 黄琼 ， 叶梅新， 韩衍群钢- 混凝土叠合板桥面的 徐变和应力重分布研究 J 铁道科学与工程学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 ( 3 ) ： 1 5 - 2 0 陈明宪，彭建新 ， 颜东煌 ， 等按龄期调整的有效 弹性模量法分析混凝土收缩徐变 J 长沙交通学 院学报 ， 2 0 0 4， 2 0 ( 3 ) ： 1 6 1 9 Pe r f o r ma nc e o f Co mp o s i t e Gi r d e r Ca bl e - s t a y e d Br i d g e、 t h Thr e e t o we r Un de r t h e I nflu e n c e o f S hr i nk a g e a n d Cr e e p o f Co nc r e t e a t Di ffe r e n t Ag e s L I U Mu y u， C HENG T a o ( H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f R o a d w a y B ri d g e a n d S t r u c t u r e E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e e ff e c t o f s h ri n k a g e a n d c r e e p o f c o n c r e t e s l a b o n t h e c o mp o s i t e g i r d e r c a b l e s t a y e d b r i d g e wi th t h r e e t o we r ，t a k i n g Er q i Ya n g t z e Ri v e r Brid g e a s a n e x a mp l e，the f i n i t e e l e me n t mo d e wi th t he b rid g e p r o f e s s i o n a l s o f t wa r e MI DAS CI VI L i s e s t a bl i s h e d，c o n s i d e rin g d i f f e r e n t a g e s o f c o n c r e t e s l a b，the d e fl e c t i o n a n d s t res s c h a n g e s o f c o mp o s i t e g i r d e r c a b l e - s t a y e d b ri d g e w i t h t h r e e - -t o we r i s a n a l y z e d u n d e r t h e i n - flu e n c e o f s h rin k a g e a n d c r e e p T h e a n aly t i c a l r e s u l t s i n d i c a t e tha t t h e d e fle c tio n o f ma i n g i r d e rs i n c r e a s e s 7 6 c m a n d h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t o f t o p o f the t o w e r i n c r e a s e s 5 6 c m，a t the s a me ti me t h e s h ri n k a g e and c r e e p o f c o n c r e t e l e a d t o a n i n c r e a s e b y 1 0 9 MP a i n the t e n s i l e s t r e s s o f s t e e l g i r d e rs an d a d e c r e a s e b y 0 6 MPa i n the c o mp r e s s i v e s tre s s o f c o n c r e t e s l a b I t i s f u r t he r p o i n t e d o u t tha t the l o n g e r c o nc r e t e a g e，t h e s ma l l e r the d e fle c ti o n a nd the s tre s s c h a n g e a r e o b t a i n e d o n the c o mp o s i t e g i rde r c ab l e - s t a y e d br i d g e wi th thr e e - t o we r ，h o we v e r ，thi s t r e n d b e c o me s s t a b i l i z e d wh e n the a g e o f c o n c r e t e i s u p t o 1 8 0 da y s Ke y wo r d s ：s t e e 1 c o n c r e t e c o mp o s i t e g i r d e r ；s h r i n k ag e a n d c r e e p；d i ff e r e n t age s ；d e fl e c t i o n；s t r e s s