鋼-混組合連續梁橋徐變性能研究

許小龍 陳強

摘要：文章在歸納總結現有徐變效應模型的基礎上，確定適用于鋼-混組合連續梁橋的徐變預測模型為JTG 3362-2018徐變預測模型，并以某海洋環境中的6x 85m鋼一混組合連續梁橋為研究對象，通過精細化有限元分析軟件Midas Civil建立了6x 85m鋼一混組合連續梁橋全橋精細化計算模型，分析徐變效應中成橋時間、加載齡期、濕度三種關鍵因素對鋼一混組合連續梁橋長期撓度和應力變化的影響，獲得了鋼一混組合連續梁長期撓度及應力與成橋時間、加載齡期、濕度之間的對應關系。

關鍵詞：鋼-混組合梁橋;徐變效應;預測模型;長期性能;力學性能

中圖分類號：U448.215 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.024

文章編號：1673-4874（2019）10-0080-05

0引言

鋼-混凝土組合梁是通過剪釘連接鋼梁和混凝土板而形成的組合結構，在橋梁成橋后，隨著時間的推移與環境的變化，混凝土徐變效應會對整體結構產生許多不利影響。同時由于混凝土徐變的存在，也加大了施工的難度，使得梁段難以達到設計標高，給預拱度的合理設置提出難題。對于組合連續梁等超靜定結構，由于存在冗余約束，徐變還會在結構內部產生額外內力，導致橋梁結構內力發生重新分布。目前對于徐變的研究，主要是通過試驗法以及有限元仿真分析法，得出實際構件的應力變化值以及撓度變形值。鋼-混組合橋梁作為一種新橋型，相應的徐變研究較少，而組合梁由于剪力連接鍵的存在以及鋼梁對混凝土板的約束作用，使得其整體結構的內力比一般混凝土梁橋更為復雜，因此，準確分析鋼-混組合梁徐變效應對橋梁結構的影響具有非常重要的工程實用價值。

近年來，在徐變領域，眾多的國內外學者采用長期試驗方法和數值模擬方法開展了系統的研究工作，獲得了一批有價值的結論。Erkmen使用ABAQUS軟件建立了鋼一混組合彎橋的徐變效應有限元分析模型，得出了鋼-混組合彎橋的豎向撓度與橫向變形隨時間變化關系。邱文亮基于有限元分析理論，提出一種簡化分析模型，該模型能直接運用于長期荷載下鋼-混組合梁橋的徐變研究，獲得橋梁關鍵部位的主要力學性能的長期變化規律。劉永健分析了廣東東江大橋混凝土徐變效應對橋面板應力以及跨中撓度的影響，研究結果直接運用于東江大橋。袁明以PC連續梁橋為研究對象，推導出混凝土徐變作用下橋梁的各項力學性能計算公式，研究了混凝土徐變對結構影響的規律，并對混凝土板中預應力束的合理布置提出了建議。

基于上述國內外研究現狀，本研究以某海洋環境中的6x 85m鋼一混組合連續梁橋為研究對象，通過精細化有限元分析軟件Midas Civil建立該橋全橋精細化模型，采用徐變預測模型對組合連續箱梁進行徐變研究，探明鋼一混組合連續梁撓度和應力隨徐變關鍵影響因素的變化關系，為橋梁的合理設計和安全施工提供相應的理論指導和技術支撐。

1工程概況與有限元模型

某海洋環境中的6x85m鋼一混組合連續梁橋的縱斷面示意圖如圖1所示。鋼-混組合連續梁主梁為單箱單室鋼結構箱梁，箱梁兩側頂板和小縱梁頂板布置有集束式鋼結構剪力釘，剪力釘與其上的C60混凝土板相連，組合成整體。

鋼-混組合梁主梁節段示意圖如圖2所示。單幅單向四車道，雙幅共雙向八車道。大橋設計使用年限為120年。

選取該橋為徐變效應的研究對象，采用MidasCivil軟件建立全橋六孔鋼-混組合梁有限元精細化模型，混凝土板由C60混凝土制成，鋼梁由Q345QD鋼制造。鋼主梁、小縱梁、縱橫向加勁肋、橫隔板由實體單元進行建模，預制混凝土橋面板由實體單元建模，其余構件采用桿系梁單元模擬，6孔組合連續梁全橋共有86984個單元，75636個節點，如圖3和圖4所示。嚴格按照設計規定在程序中進行施工階段的劃分與設置，分析橋梁的力學行為。由于本研究中組合連續梁采取先簡支后連續的施工丁序，即在支座處劃分一個小節段作為簡支變連續連接段，先放置施工用臨時支座，從而使梁處于簡支狀態，待相鄰節段焊接結束后，鈍化施工用臨時支座，進而達到簡支變連續過程的轉換。在Midas Civil軟件程序中，在整孔架設階段使相鄰跨的焊接連接段的模型參數為零，不參與結構受力，在焊接完成后給予其模型參數參與結構整體受力。組合梁沒拆除臨時支座之前，即組合梁橋處于在簡支狀態下提取支座反力，將此支座反力作用于臨時支座處位置，計算得到組合梁實際內力狀態。為了給予負彎矩位置處一定的預壓力，以避免相應部位混凝土發生裂縫病害，組合梁施工中采用了頂升的施丁工藝。在Midas Civil軟件程序中，給支點設置一個向上的位移300mm來模擬對混凝土板支點處的頂升。

2 徐變預測模型及計算結果

2.1徐變預測模型確定

徐變預測模型是各國研究者通過大量的試驗，擬合出來的經驗公式，考慮了各種影響混凝土收縮徐變效應的因素。CEB-FIP1990模型由系數相乘得到，分別為名義徐變系數及徐變發展系數，ACl209模型則采用了雙曲線形式來表示徐變系數。各規范規定的混凝土徐變預測模型中的影響因素存在差異，但主要影響因素如濕度、加載齡期、構件尺寸這些影響徐變的主要因素都被寫進公式中，對不同的混凝土收縮徐變預測模型提出了不同的混凝土徐變系數的計算方法，反映了混凝土徐變的發展規律。對混凝土收縮徐變效應的分析，在工程實踐中往往根據實際工程所處的環境以及相應規范選擇合適的收縮徐變預測模型。JTG 3362-2018模型是CEB-FIP系列模式的衍生模式，對于徐變的預測最為精確，在國內外應用最為廣泛。本研究中的鋼-混組合連續梁橋位于海洋環境中，溫濕變化隨季節變化比較大。由此，確定采用我國最新JTG 3362-2018規定的徐變預測模型進行徐變性能研究。

2.2 加載齡期及濕度對組合梁橋位移的影響

將鋼-混組合連續梁所處位置的年平均相對濕度設置成70%，分別采用1000d和3000d兩種不同成橋時間，計算對比不同加載齡期下鋼-混組合連續梁徐變所產生的長期撓度值，獲得徐變影響下鋼-混組合連續梁橋邊跨位置處豎向撓度值的大小，如圖5所示。當成橋時間為1000d時，組合梁邊跨的豎向撓度值會隨加載齡期的增長，顯著降低，當加載齡期的取值為10d，對應的邊跨豎向撓度為34.8mm當加載齡期增長到180d，對應的邊跨豎向撓度降低到19.5mm。當咸橋時間為3000d時，組合梁邊跨的豎向撓度值會隨加載齡期的增長，顯著降低，當加載齡期的取值為10d，對應的邊跨豎向撓度為37.2mm;當加載齡期增長到180d，對應的邊跨豎向撓度降低到21.8mm。由圖5可知，混凝土的收縮徐變作用對長期撓度的影響與加載齡期成反比，由于篇幅限制，僅給出成橋1000d時不同加載齡期下邊跨豎向撓度曲線圖。

加載齡期設置成180d，對應選取1000d和3000d兩種不同咸橋時間，計算橋位區年平均相對濕度分別為50%、70%、90%時鋼-混組合連續梁徐變產生的長期撓度，比較鋼-混組合連續梁橋邊跨豎向撓度值的大小，如圖6所示。當成橋時間為1000d時，鋼-混組合連續梁邊跨豎向撓度將隨著橋位處相對濕度變大而顯著減小，橋位處相對濕度設置成50%時，邊跨豎向撓度值達到-23.2mm;將橋位處相對濕度設置咸90%時，邊跨豎向撓度降低到-14.6m。當成橋時間為3000d時，鋼-混組合連續梁邊跨豎向撓度將隨著橋位處相對濕度變大而顯著減小，橋位處相對濕度設置成50%時，邊跨豎向撓度值達到-25.1mm;將橋位處相對濕度設置咸90%時，邊跨豎向撓度降低到-16.3m。從圖6可知，混凝土的收縮徐變作用對長期撓度的影響與橋位處濕度成反比，由于篇幅限制，僅給出成橋1000d時不同濕度下邊跨豎向撓度曲線圖。

2.3 成橋時間對組合梁橋應力的影響

分別計算在不同的成橋時間下，組合梁橋邊跨鋼梁上翼緣最大壓應力、下翼緣最大拉應力及預制橋面板的頂底板應力，并對比其應力隨成橋時間變化情況，計算結果見表1和圖7-9，表中受拉為正，受壓為負。

由圖7可見，隨著成橋天數的增長，徐變效應作用下鋼梁上緣壓應力不斷增加，并且在前三年時間壓應力增長幅度較快，成橋1000d時，其邊跨上緣壓應力由62MPa增長到1171VIPa;2000d時，增長到125MPa;3000d時，上緣壓應力增加達到127MPa。此時壓應力增長已很緩慢，曲線的斜率區域平穩，基本趨于穩定。

圖8表明，徐變對鋼一混組合梁鋼梁下緣拉應力的影響則相對較小。其初始成橋狀態下鋼梁下緣拉應力值為170MPa，成橋3000d時相應位置處的應力降低到148MPa，減小約13%。前三年時間減小較快，已減小接近70%。到成橋3000d時，鋼梁下緣對應位置處的拉應力的降低幅度已經很小，基本趨于穩定。

同理計算得到混凝土板上下緣應力變化值（如圖9所示），混凝土板上下緣壓應力均隨成橋時間增大而減小。

2.4 加載齡期對組合梁橋應力的影響

工程上將徐變引起的變形與結構瞬時彈性：變形之比定義為混凝土徐變系數。將橋位處年平均相對濕度定義成70%，計算不同加載齡期下混凝土徐變系數隨成橋時間的變化關系，獲得加載齡期分別設置成30d和180d時，鋼-混組合連續梁橋邊跨各關鍵部位的應力隨時間變化值，如圖10-13所示。

由圖10和圖11可知，混凝土的徐變系數與加載齡期成反比，在鋼-混組合連續梁的施工架設過程中，將橋面板放置半年以上，可顯著降低結構的徐變效應。

由下頁圖12可知，隨著加載齡期的增長，徐變效應引起的組合梁應力變化越小。當混凝土加載齡期設置到30d，成橋時間1000d時，其邊跨鋼梁上緣壓應力為117MPa成橋時間增長到2000d時，相應位置處的應力增大為125MPa;成橋時間增長到3000d時，相應位置處的應力增大為127MPa。當混凝土加載齡期設置到180d，成橋時間1000d時，其邊跨鋼梁上緣壓應力為108MPa;成橋時間增長到2000d時，相應位置處的應力增大為110MPa;成橋時間增長到3000d時，相應位置處的應力增大為112MPa。

由下頁圖13可見，不同加載齡期對組合梁橋鋼梁下緣拉應力也會產生影響。隨著加載齡期增大，鋼梁下緣應力隨時間變化減小，加載齡期對鋼梁上緣應力的影響較下緣應力影響更為顯著。增大加載齡期可以顯著降低由徐變作用所導致的應力變化。

2.5 濕度對組合梁橋關鍵部位應力的影響

將加載齡期設置為180d，分析橋位處不同環境相對濕度下徐變系數隨成橋時間變化的關系以及不同環境相對濕度對應的組合梁橋邊跨鋼梁各關鍵部位的應力隨時間變化值，并對比其應力隨時間變化情況（見圖14-15）。由圖14可知，隨著橋位處環境相對濕度增大，徐變系數降低，兩者成反比關系。

由圖15可見，橋位處環境相對濕度越大，徐變引起的組合梁橋邊跨鋼梁各關鍵部位的應力越小。當將環境相對濕度設置成50%時，咸橋時間為1000d時，其邊跨鋼梁上緣壓應力為104.5MPa;成橋時間增長到2000d時，相應位置處的應力增大為108.7MPa;成橋時間增長到3000d時，相應位置處的應力增大為110.8MPa。將環境相對濕度設置成70%，成橋時間為1000d時，其邊跨鋼梁上緣壓應力為93.4MPa;咸橋時間增長到2000d時，相應位置處的應力增大為96.4MPa;成橋時間增長到3000d時，相應位置處的應力增大為98.1MPa。將環境相對濕度設置成90%，成橋時間為1000d時，其邊跨鋼梁上緣壓應力為81.4MPa;成橋時間增長到2000d時，相應位置處的應力增大為83.2MPa;成橋時間增長到3000d時，相應位置處的應力增大為84.5MPa。

不同濕度對組合梁應力變化的影響也體現在鋼梁下緣拉應力變化上，且環境相對濕度越高，鋼梁下緣拉應力變化越小，但橋位處環境相對濕度對鋼梁上緣應力的影響較下緣應力的影響更為顯著。

3 結語

（1）本文建立了6×85m鋼-混組合連續箱梁橋全橋精細化有限元模型，模型中考慮簡支變連續以及頂升的施工工藝，以精確分析橋梁的力學行為，確定了適用于鋼-混組合連續梁橋的徐變預測模型為JTG 3362-2018模型。

（2）本文詳細分析徐變效應對鋼-混組合連續梁橋長期撓度和應力變化的影響，得到了不同環境因素下，組合梁長期撓度值的大小，以及組合梁應力變化與環境因素之間的對應關系。徐變會引起鋼-混組合連續梁橋截面應力和撓度的顯著變化，設計和施工中不能忽略，應采取必要的措施降低徐變對組合梁的影響。