某连续梁桥运营期收缩徐变的影响分析.pdf

108交通科技与管理工程技术0引言桥梁建设中采用的混凝土属于一种黏弹性材料，收缩徐变效应是其本身固有的特性。收缩是混凝土在空气中凝固时发生的体积慢慢缩小的一种现象，是在非应力状态下产生的，是一种和应力无关的自发的变形。而徐变是指混凝土构件在长期不变的荷载作用下，应变随着时间的增长具有持续增长的特性。徐变变形是在持续荷载作用下发生的，即由应力引起的。混凝土收缩徐变的影响因素主要为混凝土自身因素（水泥用量、水灰比、骨料性质等）、环境因素（相对空气湿度、环境温度、养护条件等）及混凝土受力情况（混凝土的加载龄期、持荷时间、应力大小等）1-2。对于桥梁结构来说，混凝土收缩徐变形成的主要影响包括：导致结构产生预应力损失；导致桥梁主梁挠度增大；导致超静定结构内力重分布；导致桥梁结构外表面产生局部裂缝等。1有限元模型的建立以某四跨一联连续梁桥为实际工程背景，根据设计施工步骤，利用有限元软件Midas Civil建立了全桥模型，如图 1 所示。该桥梁有限元模型主要包括桥墩、主梁、预应力钢束，全桥共分 116 个单元，122 个节点。该文采用梁单元模拟，对节段拼装连续梁桥运营阶段的收缩徐变效应进行理论分析。2运营期收缩徐变对结构变形的影响2.1收缩徐变对主梁挠度的影响计算得到在成桥时及成桥后 1 年、3 年、10 年由收缩徐变引起的主梁挠度值如表 1 所示。挠度以向上为正，向下为负。图 1迈达斯有限元模型表 1由收缩徐变产生的跨中挠度/mm阶段第一跨跨中挠度第二跨跨中挠度成桥11.27.3成桥一年15.710.9成桥三年19.014.1成桥十年21.415.6由表 1 数据可以看出：（1）在收缩徐变作用下，主梁各跨均产生向上的挠度。在桥梁运营期，随着时间的增加，由收缩徐变产生的主梁挠度逐渐增加。边跨在成桥时跨中挠度为11.2 mm，成桥三年时为 19.0 mm，增加了 7.8 mm；成桥十年时为 21.4 mm，增加了 10.2 mm，成桥十年时是成桥时的 1.8 倍。中跨在成桥时跨中挠度为 7.3 mm，成桥三年时为 14.1 mm，增加了 6.8 mm；成桥十年时为 15.6 mm，增加了 8.3 mm，成桥十年时是成桥时的 2.2 倍。由此可见收缩徐变对于连续梁桥的主梁变形影响较大，在设计和施工都必须充分考虑，并正确设置预拱度3-4。（2）同时还可以看出，收缩徐变的影响值在前三年的增长速率最快，从成桥三年到成桥十年之间，收缩徐变的影响值变化幅度较小，即收缩徐变主要发生在前三年。2.2收缩徐变对墩顶位移的影响计算得到在成桥时及成桥后 1 年、3 年、10 年由收收稿日期：2023-08-08作者简介：段传武（1988）,男,硕士研究生,工程师,研究方向：桥梁设计。某连续梁桥运营期收缩徐变的影响分析段传武（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550000）摘要因混凝土的收缩徐变变化过程较为复杂、影响因素较为众多，其研究属于工程技术界一项较复杂且难以通过精确计算得到解答的课题。文章参考现有研究成果，以某四跨一联预制拼装连续梁桥为工程背景，利用 Midas Civil 有限元软件建立全桥模型，对该桥的收缩徐变产生的效应进行理论上的分析，相关结果表明混凝土的收缩徐变对于预制节段拼装连续梁桥的内力和变形的影响较大，在桥梁的设计及施工阶段须充分考虑它的影响。关键词运营期；收缩徐变；内力；变形中图分类号U444文献标识码A文章编号2096-8949（2023）17-0108-032023 年第 4 卷第 17 期109交通科技与管理工程技术缩徐变引起的 1 号墩、2 号墩、3 号墩墩顶位移值如表 2所示。水平位移以向右为正，向左为负。表 2由收缩徐变产生的墩顶位移/mm阶段1 号墩墩顶位移 2 号墩墩顶位移 3 号墩墩顶位移成桥4.74.40.2成桥一年10.07.50.3成桥三年13.19.20.4成桥十年16.010.70.5由表 2 数据可知：边墩、次边墩墩顶在混凝土收缩徐变的作用下向中墩偏移。随着时间的增加，由收缩徐变产生的墩顶位移量逐渐增加。边墩在成桥时墩顶位移为 4.7 mm，成桥三年时为 13.1 mm，增加了 8.4 mm；成桥十年时为 16.0 mm，增加了 11.3 mm，成桥十年时是成桥时的 3.4 倍。次边墩在成桥时墩顶位移为 4.4 mm，成桥三年时为 9.2 mm，增加了 4.8 mm；成桥十年时为 10.7 mm，增加了 6.3 mm，成桥十年时是成桥时的 2.4 倍。同样也能看出收缩徐变主要发生在前三年，因此混凝土的收缩徐变对于连续梁桥的墩顶位移影响也较大5-6。3运营期收缩徐变对结构内力的影响3.1收缩徐变对主梁内力的影响3.1.1主梁弯矩计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的弯矩值如表 3 所示。1号墩墩顶梁段单元号为 1、2，第一跨跨中单元号为 11，2 号墩墩顶梁段单元号为 21、22，第二跨跨中单元号为32，3 号墩墩顶梁段单元号为 43、44，第三跨跨中单元号为 55，4 号墩墩顶梁段单元号为 65、66，第四跨跨中单元号为 77，5 号墩墩顶梁段单元号为 85、86。表 3主梁控制截面弯矩值/kNm阶段1 号墩墩顶截面第一跨跨中2 号墩墩顶截面第二跨跨中3 号墩墩顶截面成桥841.891 101.521 342.571 921.941 608.46成桥一年1 683.61 772.71 822.33 139.22 651.4成桥三年2 280.82 210.62 085.43 910.13 224.8成桥十年2 770.32 475.12 111.34 517.63 551.0由表 3 数据可以看出：（1）在成桥后四个不同阶段，由混凝土的收缩徐变产生的主梁弯矩整体分布是相似的，而且各个阶段主梁弯矩均为正弯矩。（2）从成桥到成桥十年，主梁各控制截面由混凝土收缩徐变产生的弯矩值都是随着时间递增的。成桥十年时主梁由收缩徐变产生的最大弯矩为 5 260.8 kNm，出现在两个次边墩墩顶截面处。由此可以看出混凝土的收缩徐变对连续梁桥的主梁弯矩影响较大。3.1.2主梁轴力计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的轴力值如表 4 所示。轴力以拉力为正，压力为负。表 4主梁控制截面轴力值/kN阶段第一跨第二跨成桥110.0230.4成桥一年222.1466.0成桥三年295.1633.7成桥十年370.3827.8由表 4 数据可以看出：（1）在四个不同的阶段，由收缩徐变产生的主梁轴力整体分布是相似的，边跨的轴力值都小于中跨的轴力值，而且各阶段主梁轴力均为正值，即都为轴压力。（2）从成桥到成桥十年，边跨、中跨由收缩徐变产生的轴力值都是随着时间递增的。成桥时边跨轴力值为110.0 kN，成桥三年时为 295.1 kN，增加了 185.1 kN；成桥十年时为 370.2 kN，增加了 260.2 kN，成桥十年时是成桥时的 3.4 倍。中跨在成桥时墩顶位移为 230.4 kN，成桥三年时为 633.7 kN，增加了 403.3 kN；成桥十年时为827.8 kN，增加了597.4 kN，成桥十年时是成桥时的3.6倍。可以看出收缩徐变对于连续梁桥的主梁轴力影响较大7-8。3.2收缩徐变对桥墩内力的影响（1）墩顶弯矩，计算得到由收缩徐变产生的墩顶弯矩如表 5 所示。表 5由收缩徐变产生的墩顶弯矩/(kNm)阶段1 号墩墩顶弯矩 2 号墩墩顶弯矩 3 号墩墩顶弯矩成桥702.6667.365.2成桥一年1 407.91 374.1117.6成桥三年1 859.31 908.5148.1成桥十年2 316.02 576.8183.9由表 5 数据可知：在桥梁运营期间，随着时间的增加，各桥墩由混凝土的收缩徐变产生的墩顶弯矩都逐渐增加。成桥十年时边墩墩顶弯矩是成桥时的 3.3 倍。成桥十年时次边墩墩顶弯矩是成桥时的 3.9 倍。可见收缩徐变对于连续梁桥各墩墩顶弯矩的影响较大，且对次边墩墩顶弯矩的影响最为明显。110交通科技与管理工程技术（2）墩顶剪力。计算得到由收缩徐变产生的墩顶剪力如表 6 所示。表 6由收缩徐变产生的墩顶剪力 /kN阶段1 号墩墩顶剪力 2 号墩墩顶剪力 3 号墩墩顶剪力成桥110.0120.311.3成桥一年222.0244.021.1成桥三年295.1338.626.9成桥十年370.3457.433.7 由表 6 数据可知：在桥梁运营期间，随着时间的增加，各桥墩由收缩徐变产生的墩顶剪力都逐渐增加。成桥十年时边墩墩顶剪力是成桥时的 3.4 倍。成桥十年时次边墩墩顶剪力是成桥时的 3.8 倍。可见收缩徐变对于连续梁桥各墩墩顶剪力的影响也较大，且对次边墩墩顶剪力的影响最为明显。同时由上述的几个倍数可以看出，收缩徐变对桥墩墩顶弯矩、墩顶剪力的影响程度基本相同。4运营期收缩徐变对结构应力的影响计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的主梁上、下缘应力如表 78 所示。表 7各主梁主要截面上缘应力 /MPa阶段1 号墩墩顶截面第一跨跨中2 号墩墩顶截面第二跨跨中3 号墩墩顶截面成桥0.1810.2700.2990.4620.349成桥一年0.3630.4240.3940.7360.557成桥三年0.4790.5200.4150.9070.667成桥十年0.5970.580.4441.0290.720表 8各主梁主要截面下缘应力/MPa阶段1 号墩墩顶截面第一跨跨中2 号墩墩顶截面第二跨跨中3 号墩墩顶截面成桥0.3230.6110.5301.0620.648成桥一年0.6450.9790.7201.7341.059成桥三年0.8531.2100.8332.1651.287成桥十年1.0621.3710.8422.5121.430由表 78 主梁上、下缘应力计算结果，可以得出如下结论：在桥梁运营期间，由收缩徐变产生的主梁上缘应力为压应力，主梁下缘应力为拉应力，而且随着时间的增加，由收缩徐变产生的主梁上缘压应力、下缘拉应力都逐渐增加，也就是说混凝土的收缩徐变会使得主梁的上缘压应力随时间增长不断地增大，下缘压应力随时间增长不断地减小9。5结语该文分析了收缩徐变对节段预制拼装连续梁桥内力、变形的影响，可以看出，混凝土的收缩徐变对于预制节段拼装连续梁桥的内力、变形影响较大，在桥梁设计和施工阶段都必须充分考虑，并合理地设置预拱度。同时还可以看出，收缩徐变主要发生在成桥之后的前三年。混凝土收缩徐变对超静定连续梁桥的影响从桥梁的施工阶段一直持续到运营阶段，因此收缩徐变是混凝土连续梁桥建设过程中必须高度重视的一个问题，应当在设计、施工过程中采取相应的方法和措施来减小收缩徐变的不利影响，以保证桥梁结构的正常使用。在该文的建模计算过程中没有考虑所配置的普通钢筋的影响。当前，有关普通钢筋对混凝土收缩徐变影响的研究还不够深入，今后有必要加强构件配筋对混凝土收缩徐变影响的研究。参考文献1刘洁.大跨径连续刚构桥混凝土收缩徐变效应分析D.西安：长安大学,2011.2 郭金英.收缩徐变对预应力混凝土连续刚构桥受力及施工控制的影响 D.成都：西南交通大学,2010.3 尹亮.大跨径预应力混凝土连续刚构桥收缩、徐变效应研究 D.西安：长安大学,2007.4 李志聪.大跨径连续刚构桥施工控制及收缩徐变效应分析 D.西安：长安大学,2005.5 邹立群.混凝土收缩徐变引起大跨度连续刚构桥长期下挠分析 D.北京：北京交通大学,2010.6 刘中剑.连续刚构桥收缩徐变内力分析 D.上海：上海交通大学,2008.7 朱宇锋.大跨径预应力混凝土连续刚构桥温度效应与收缩徐变效应分析 D.长沙：湖南大学,2008.8汪维安.高墩大跨连续刚构桥的收缩徐变效应分析D.长沙：长沙理工大学,2005.9 刘晓梅.影响连续刚构桥收缩与徐变效应的参数分析J.西部交通科技,2015(3):41-46.