橋面板混凝土理論厚度對組合梁橋收縮徐變的影響分析

吳 俁,鄧青兒,于 洋

(上海市政工程設(shè)計研究院,上海市 200092)

橋面板混凝土理論厚度對組合梁橋收縮徐變的影響分析

吳 俁,鄧青兒,于 洋

(上海市政工程設(shè)計研究院,上海市 200092)

以《公預(yù)規(guī)》為依據(jù),討論了組合梁橋中橋面板不同理論厚度計算方法得到的收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)間的差別,提出了采用隨時間變化理論厚度計算收縮徐變參數(shù)的方法。接著,以一座2×75 m連續(xù)組合梁橋為背景工程,建立有限元模型,針對不同橋面板混凝土理論厚度計算了結(jié)構(gòu)收縮徐變引起的變形和應(yīng)力。結(jié)論表明目前普遍應(yīng)用的以施工鋪裝前截面計算橋面板混凝土理論厚度的方法得到的收縮徐變效應(yīng)普遍偏大,但組合梁鋼結(jié)構(gòu)的部分計算結(jié)果偏于不安全。

組合梁;理論厚度;收縮;徐變

0 引言

式中:Ac——構(gòu)件截面面積;

u——構(gòu)件與大氣接觸的周邊長度。

雖然我國現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 (JGT D62-2004)》(以下簡稱《公預(yù)規(guī)》)給出了明確的公式,但對組合梁橋來講,參數(shù)“u:構(gòu)件與大氣接觸的周邊長度”一項定義不夠明確,目前,“u”的計算方法各有不同,主要體現(xiàn)在以下兩方面:斷面上,鋼箱梁內(nèi)部一般在施工結(jié)束后會密封,混凝土周長是否與外部取相同權(quán)重計算;過程上,鋪裝施工后覆蓋了混凝土橋面板表面,這一部分是否仍計入與大氣接觸長度。

本文為了解該參數(shù)不同取值對設(shè)計的影響,

組合結(jié)構(gòu)橋梁斷面由鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板構(gòu)成。橋面板混凝土收縮徐變是影響組合梁橋受力性能的重要因素之一。混凝土作為一種復(fù)合多相的人工土建筑材料,其收縮徐變性能的影響因素眾多。基于混凝土收縮徐變的物理機理,普遍認為混凝土收縮徐變特性是由混凝土原材料及配合比、構(gòu)件的尺寸、環(huán)境、相對濕度和溫度等因素所共同決定的。凡是收縮值大的混凝土,其徐變值一般也大。

構(gòu)件理論厚度在有些參考資料中又將其稱為有效厚度,是反映構(gòu)件尺寸、衡量構(gòu)件與大氣接觸情況的一個參數(shù),其計算公式如下:以一座2×75 m連續(xù)組合梁橋為背景工程,采用不同方法計算橋面板混凝土理論厚度并進行對比分析,了解理論厚度的取值對組合梁橋收縮徐變的影響。

2×75 m連續(xù)組合梁橋的基本情況如下:箱梁采用槽形鋼梁+現(xiàn)澆混凝土橋面板結(jié)構(gòu)。箱梁寬8 m,兩側(cè)懸臂長度各7.025 m;橋面板采用現(xiàn)澆C50混凝土,寬度22.05 m,見圖1所示。

1 參數(shù)選取

根據(jù)目前計算理論厚度常見的幾種觀點,本文考慮以下三種算法,文中所選取的背景工程對應(yīng)的橋面板混凝土理論厚度如表1所列。

本文依照《公預(yù)規(guī)》上提出的混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)計算公式,分析不同理論厚度值對計算結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力的影響程度。

2 橋面板混凝土理論厚度對收縮應(yīng)變、徐變系數(shù)的影響分析

圖2、圖3展示了不同理論厚度的混凝土徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變隨時間發(fā)展關(guān)系。

由圖2、圖3可知,構(gòu)件理論厚度對收縮徐變的影響都是時間的函數(shù),初期影響較大,之后逐漸減小。且其對收縮應(yīng)變的影響大于對徐變系數(shù)的影響。

考慮到施工鋪裝前后構(gòu)件的理論厚度發(fā)生了變化,徐變系數(shù)的終極值和隨時間的函數(shù)都發(fā)生了變化,可考慮根據(jù)施工過程改變混凝土徐變系數(shù)中理論厚度的值,獲得較為準(zhǔn)確的徐變系數(shù)隨時間的函數(shù)。

圖1 2×75 m連續(xù)組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

表1 三種計算橋面板混凝土理論厚度的方法及其數(shù)值一覽表

圖2 不同理論厚度的混凝土徐變系數(shù)隨時間發(fā)展關(guān)系曲線圖

圖3 不同理論厚度的混凝土收縮應(yīng)變隨時間發(fā)展關(guān)系曲線圖

《公預(yù)規(guī)》中混凝土徐變系數(shù)是加載齡期tO、環(huán)境年平均相對濕度RH、理論厚度h,以及混凝土28 d立方體抗壓強度fcm的函數(shù),可表示為:

式中:φ(t，t0)——加載齡期為t0,計算考慮齡期為t時的混凝土徐變系數(shù);

φ0——名義徐變系數(shù);

βc——加載后徐變隨時間發(fā)展的系數(shù)。

設(shè)鋪裝施工前混凝土橋面板理論厚度為h1,施工后為h2,施工鋪裝時混凝土齡期為tp(tp＞t0),那么在施工鋪裝前,徐變系數(shù)計算時取理論厚度為h1,施工鋪裝后,徐變系數(shù)按照理論厚度為h2的徐變系數(shù)曲線發(fā)展,最終終極值介于理論厚度為h1和h2的值之間,即:

h1=290 mm,h2=785 mm,tp=30 d、45 d、60 d、75 d的徐變系數(shù)與h=290 mm和h=785 mm的徐變系數(shù),如圖4所示和表2所列。

圖4 理論厚度隨時間變化的混凝土徐變系數(shù)隨時間發(fā)展關(guān)系曲線圖

表2 理論厚度隨時間變化的混凝土10 a徐變系數(shù)一覽表

由圖4及表2可知,考慮橋面板混凝土理論厚度變化、分段計算徐變系數(shù)對徐變的發(fā)展和終極值計算都有一定影響。混凝土澆筑和鋪裝施工間的間隔越長,混凝土徐變系數(shù)越接近于h=hl的徐變系數(shù),反之,則接近于h=h2的徐變系數(shù)。從圖4中可明顯地看出,徐變曲線初期增長極其迅速,大約100 d后增速逐漸減緩,因此,施工鋪裝時混凝土已發(fā)生了相當(dāng)大的徐變,造成理論厚度發(fā)生改變的徐變曲線更接近h=hl的徐變曲線。從表2還可以看出,tp=75 d時,徐變系數(shù)終極值與h=hl的終極值相差 0.8%,即使 tp=30 d,也僅相差3.3%,說明tp變化對徐變終極值影響很小,可忽略不計。

收縮應(yīng)變中考慮理論厚度隨時間變化的方法與徐變相同,這里不再進行推導(dǎo),直接列出結(jié)果:

h1=290 mm,h2=785 mm,tp=30 d、45 d、60 d、75 d的收縮應(yīng)變與h=290 mm和h=785 mm的收縮應(yīng)變?nèi)鐖D5所示和表3所列。

圖5 理論厚度隨時間變化的混凝土收縮應(yīng)變隨時間發(fā)展關(guān)系曲線圖

表3 理論厚度隨時間變化的混凝土10 a收縮應(yīng)變一覽表

由圖5和表3可知,考慮混凝土理論厚度變化、分段計算收縮應(yīng)變對收縮的發(fā)展和終極值計算影響較大。混凝土澆筑和鋪裝施工間的間隔越長,混凝土收縮應(yīng)變越接近于h=h1的收縮應(yīng)變,反之,則接近于h=h2的收縮應(yīng)變。從圖5中可明顯地看到,收縮應(yīng)變與徐變系數(shù)的發(fā)展規(guī)律不同,收縮曲線前期比徐變曲線平緩,前期較長一段時間一直保持著較快的增長,大約400 d后增速才明顯降低,前期幾十天的收縮值占終極值的比例不是很大,因此,理論厚度改變后,收縮應(yīng)變發(fā)展相對更接近于h=h2的收縮應(yīng)變曲線,但與h=h2的收縮應(yīng)變曲線仍相差20%左右。從表3還可以看出, tp=75 d時,徐變系數(shù)終極值與h=h1的終極值相差25.1%,即使tp=30 d,也相差15.2%,說明tp變化對收縮終極值的影響較大,其影響不可忽略。

以往對組合梁橋的徐變分析,混凝土橋面板的理論厚度一般按照鋪裝施工前的截面計算,即取h=h1。由以上分析可知,該方法對徐變系數(shù)值的計算偏大,但總體偏差較小,一般偏于安全;對收縮應(yīng)變值的計算結(jié)果也偏于安全,但偏差較大。

3 橋面板混凝土理論厚度對結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的影響分析

3.1 對變形的影響分析

從之前的分析來看,橋面板混凝土理論厚度對于收縮應(yīng)變值的影響很大,對徐變系數(shù)值的影響小一些。為進一步分析其對結(jié)構(gòu)最終變形和受力的影響,建立背景工程的MIDAS模型,考慮施工過程中橋面板混凝土理論厚度變化的影響,在施工過程中改變混凝土橋面板的理論厚度,對比分析其對主梁收縮徐變位移的影響。按背景工程實際施工流程,取:h1=290 mm,h2=785 mm,tp=70 d。圖6和圖7為不同橋面板混凝土理論厚度取值和考慮變理論厚度計算的主梁跨中徐變引起的位移和收縮引起的位移隨時間的變化規(guī)律,表4列出了成橋10 a的值。

圖6 不同理論厚度情況下主梁徐變位移隨時間變化曲線圖

圖7 不同理論厚度情況下主梁收縮位移隨時間變化曲線圖

表4 考慮理論厚度變化的成橋10 a收縮徐變引起的位移對比一覽表

考慮理論厚度變化的位移計算結(jié)果與之前分析一致,考慮理論厚度變化后徐變位移有所變化,但幅度不大,接近于h=290 mm的徐變位移(相差約2.92%)。收縮變化明顯,其10 a收縮位移的計算結(jié)果在h=290 mm和h=785 mm的結(jié)果之間,且相對接近于h=785 mm的值。

3.2 對鋼梁應(yīng)力的影響分析

為與收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力形成數(shù)量概念上的對比,這里先列出成橋10 a鋼梁在永久荷載作用下的應(yīng)力(活載等其它可變荷載影響較小,暫不考慮),見圖8、圖9所示。

圖8 成橋10 a鋼梁上緣應(yīng)力曲線圖

圖9 成橋10 a鋼梁下緣應(yīng)力曲線圖

圖10～圖13為主梁橋面板混凝土按不同理論厚度計算時,成橋10 a徐變和收縮引起的鋼梁上下緣應(yīng)力,受拉為正。其中,變理論厚度均指按背景工程實際施工流程,取h1=290 mm,h2=785 mm, tp=70 d計算的值。

圖10 不同理論厚度成橋10 a鋼梁上緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖11 不同理論厚度成橋10 a鋼梁下緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖12 不同理論厚度成橋十年鋼梁上緣收縮應(yīng)力曲線圖

圖13 不同理論厚度成橋十年鋼梁下緣收縮應(yīng)力曲線圖

從圖10～圖13中可以看出,采用常理論厚度計算,取h=785 mm與取h=290 mm相比,鋼梁上緣徐變應(yīng)力最大變化量位于中支點,拉應(yīng)力減小約5.6 MPa,下緣徐變應(yīng)力最大變化量在跨中附近,壓應(yīng)力增大約4.9 MPa;上緣收縮應(yīng)力的最大變化值發(fā)生在邊支點,壓應(yīng)力減小18 MPa,下緣收縮應(yīng)力的最大變化值發(fā)生在距中支點約15 m處,壓應(yīng)力減小20.9 MPa。由數(shù)據(jù)可以看出,采用不同理論厚度計算收縮徐變得到的鋼梁應(yīng)力差別很大,特別是收縮應(yīng)力,相差超過20 MPa。有必要按照結(jié)構(gòu)理論厚度的實際變化情況分段計算徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變。從這些圖中,還可容易看出,針對該橋,按照h=290 mm計算的鋼梁收縮徐變應(yīng)力偏大,與采用變理論厚度計算得到的鋼梁應(yīng)力相比,最多偏大16.7 MPa,如表5所列。

對比采用不同理論厚度的收縮徐變應(yīng)力結(jié)果和成橋10 a鋼梁應(yīng)力圖(圖8、圖9)可以看出,跨中略偏邊支點位置的鋼梁下緣為全橋拉應(yīng)力最大的位置,拉應(yīng)力約115 MPa,而該點收縮徐變應(yīng)力均為負,若采用變理論厚度計算,該點成橋10 a拉應(yīng)力將增大15 MPa左右。顯然,按照h=290 mm計算的鋼梁收縮徐變應(yīng)力雖然大部分位置偏大,但局部仍是偏于不安全的。

表5 考慮理論厚度變化的鋼梁由橋面板混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力對比一覽表

3.3 對橋面板混凝土應(yīng)力的影響分析

為與收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力形成數(shù)量概念上的對比,這里先列出成橋10 a橋面板在永久荷載作用下的應(yīng)力(活載等其它可變荷載影響較小,暫不考慮),見圖14和圖15所示。

圖14 成橋10 a橋面板上緣應(yīng)力曲線圖

圖15 成橋10 a橋面板下緣應(yīng)力曲線圖

圖16～圖19為主梁橋面板按不同理論厚度計算時,成橋10 a徐變和收縮引起的混凝土橋面板上下緣應(yīng)力,受拉為正。

圖16 不同理論厚度成橋10 a橋面板上緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖17 不同理論厚度成橋10 a橋面板下緣徐變應(yīng)力曲線圖

圖18 不同理論厚度成橋10 a橋面板上緣收縮應(yīng)力曲線圖

圖19 不同理論厚度成橋10 a橋面板下緣收縮應(yīng)力曲線圖

從圖16～圖19中可以看出,采用常理論厚度計算,取h=785 mm與取h=290 mm相比,橋面板上緣徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大增大了0.62 MPa,位置在跨中附近;下緣徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力在兩跨跨中之間的部分均增大了約0.60 MPa;上下緣收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力均有明顯減小,其中上緣減小1.6 MPa,下緣減小1.3 MPa,均位于中支點附近。即理論厚度增加造成徐變應(yīng)力增大,收縮應(yīng)力減小。收縮徐變綜合起來考慮,上緣收縮徐變拉應(yīng)力約降低了0.2～0.9 MPa,下緣降低0.4～0.7 MPa,總體來說,隨著理論厚度增加,收縮徐變引起的拉應(yīng)力減少,橋面板受力趨于有利。由數(shù)據(jù)可知,理論厚度的取值對收縮徐變應(yīng)力影響很大,為準(zhǔn)確分析收縮徐變對組合梁橋混凝土橋面板的影響,有必要根據(jù)施工實際情況變化橋面板理論厚度進行計算。

從這些圖中,還可容易地看出,針對該橋,按照h=290 mm計算的混凝土收縮徐變應(yīng)力偏大,與采用變理論厚度計算得到的橋面板應(yīng)力相比,墩頂上緣拉應(yīng)力相差最多,約0.9 MPa,如表6所列。

表6 考慮理論厚度變化的混凝土橋面板由收縮徐變引起的應(yīng)力對比一覽表

結(jié)合成橋10 a混凝土橋面板應(yīng)力(見圖14、圖15)可知,橋面板跨中壓應(yīng)力約5～6 MPa,較小,墩頂拉應(yīng)力約2 MPa,需通過配筋控制裂縫寬度。按照h=290 mm計算的收縮徐變拉應(yīng)力偏大,按其結(jié)果設(shè)計是偏于安全的。

由以上分析可知,理論厚度的取值對結(jié)構(gòu)變形和鋼、混凝土的應(yīng)力都有很大影響,采用h=290 mm與采用變化的理論厚度計算結(jié)果相比,普遍高估了收縮徐變引起的構(gòu)件應(yīng)力。對鋼梁來說,收縮徐變應(yīng)力偏大約15 MPa,由于在局部,收縮徐變對鋼梁受力是有利的,計算結(jié)果偏大仍偏于不安全。對混凝土來說,收縮徐變拉應(yīng)力偏大將近1 MPa,在中支點,計算的混凝土拉應(yīng)力偏大,結(jié)果偏安全;在跨中,計算的混凝土壓應(yīng)力偏小,可能偏于不安全。

4 結(jié)論

組合梁橋面板理論厚度取值對收縮徐變的影響很大,且是時間的函數(shù),初期影響較大,之后逐漸減小。對于施工過程中理論厚度發(fā)生變化的組合梁,目前多按照施工鋪裝前的截面計算理論厚度,一般來說其計算的收縮徐變效應(yīng)偏大,對混凝土一般是偏安全的,但對鋼梁可能偏于不安全。對于該橋,跨中近邊支點處下緣拉應(yīng)力低估約15 MPa左右,相對成橋時結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平而言,這種影響不可忽略。

U448.21+6、U441

A

1009-7716(2015)03-0147-05

2014-11-24

吳俁(1987-),男,陜西安康人,碩士,助理工程師,從事鋼和組合結(jié)構(gòu)橋梁工程設(shè)計工作。