鋼混組合梁徐變效應影響的探討

孔令熙

（同濟大學，上海市200092）

0 引 言

鋼混組合梁結構是一種采用剪力鍵將鋼結構與鋼筋混凝土結構結合成組合截面共同工作的一種復合式結構，其具有鋼結構和混凝土結構各自優點。組合梁結構中最常使用的是簡支結構形式，因為簡支梁的受力體系為上緣受壓、下緣受拉，最符合組合梁材料分布的合理原則，可以充分發揮鋼材和混凝土良好的力學性能。在橋梁工程蓬勃發展的今天，組合梁結構依靠其受力合理、施工便捷，已大量應用于實際工程建設中。

混凝土的徐變是混凝土材料本身固有的特性，當混凝土在一定的溫度、濕度、荷載作用下，隨著時間的逐漸增加，混凝土的應變不斷增長的現象。由于鋼材相對于混凝土來說，徐變效應量級較小，可以忽略不計，但鋼結構通過剪力鍵抵抗混凝土的變形，使得混凝土結構中的應力變化向鋼結構轉移，從而使得組合結構內部的應力重分布[1，2]。本文將從混凝土結構徐變的基本理論出發，結合工程實例，建立有限元模型，探討鋼混組合梁的徐變效應中幾種影響因素的變化規律，從而提高鋼混組合梁的使用效率。

1 徐變描述

混凝土發生徐變通常采用徐變系數、徐變度和徐變函數三種方式表示。

（1）徐變系數

徐變系數表示對于在時刻t0施加初應力σc（t0）至t時刻的混凝土的徐變變形與瞬時彈性變形的比值：

根據彈性變形方程，混凝土的應力應變關系為：

式中：σc（t0）為齡期t0加載時的應力，MPa；Ec（t0）為齡期t0加載時混凝土的彈性模量，MPa。

因此，徐變系數可表達為：

（2）徐變度

徐變度表示單位應力作用下的徐變變形：

（3）徐變函數

徐變函數表示單位應力作用下混凝土彈性應變和徐變應變之和：

2 工程實例分析

（1）工程概況

成山路小腰涇橋采用的是工字形鋼板梁與混凝土橋面板結合的鋼混組合梁，其特點為低梁高多工字梁組合梁，如圖1所示。

圖1 成山路小腰涇橋橫斷面布置（單位：mm）

主橋跨徑36m，橋梁寬度26.5m，結構總高度為1.3m，高跨比為1/32.7。

建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 成山路小腰涇橋Midas 梁格計算模型

在計算時，縱梁單元選用聯合截面模擬鋼混組合結構受力，架梁后進行現澆段和端橫梁混凝土澆筑，按實際施工步驟進行施工階段模擬，具體施工階段見表1。

表1 施工階段劃分表

在成橋10 a后，橋面板混凝土收縮徐變基本完成，收縮徐變產生的效應不再變化。

（2）對應力結果影響分析

通過對比不計收縮徐變狀態下的組合梁工字鋼應力與計入收縮徐變10a后的應力情況，結果如圖3～圖6所示：

圖3 組合梁工字梁上緣應力結果（單位：MPa）

圖4 組合梁工字梁下緣應力結果（單位：MPa）

圖5 組合梁混凝土板上緣應力結果（單位：MPa）

圖6 組合梁混凝土板下緣應力結果（單位：MPa）

通過對比圖可知，直觀地體現了組合結構在混凝土收縮徐變10 a后與成橋狀態時的應力變化。在僅考慮混凝土徐變作用下，跨中截面鋼梁上緣壓應力增加約5 MPa；鋼梁下緣拉應力增加約2 MPa；混凝土上緣拉應力增加約1.1 MPa；混凝土下緣拉應力增加約0.3MPa。徐變效應對組合結構的主要變化量發生在跨中截面的鋼梁壓應力增加和混凝土板的壓應力增加，尤其是混凝土橋面板拉應力增加，這在結構設計中應當予以重視。

（3）對撓度結果影響分析

通過對比不計收縮徐變狀態下的組合梁撓度與計入收縮徐變10 a后的撓度情況，結果如圖7所示：

通過對比圖可知，直觀地體現了組合結構在混凝土收縮徐變10 a后與成橋狀態時的結構撓度變化。在僅考慮混凝土徐變作用下，跨中截面撓度增加約5 mm，當考慮混凝土收縮徐變共同作用下，撓度增加約24mm。由于該工程橋面板采用的是現澆混凝土的施工工藝，收縮效應的影響較為顯著。若采取預制橋面板的施工方法，則收縮影響將會顯著減小，而徐變效應的影響將會變得明顯。

圖7 組合梁撓度結果（單位：mm）

（4）小結

混凝土的收縮徐變效應對鋼混組合梁橋的影響不容忽視，混凝土徐變效應在簡支組合梁結構跨中截面混凝土上緣將會產生拉應力，也進一步證明了混凝土橋面板中鋼筋的設計將會決定混凝土的抗裂能力。

3 參數敏感性分析

由于混凝土收縮徐變的影響因素較多，變化規律較為復雜，而且鋼和混凝土的材料性質存在差異，各種影響因素下，徐變效應的敏感性也均不同[3]。

為了得出影響因素及對徐變效應影響的規律特點，故選取不同的影響因素，通過擬定的有限元模型（40m工字形鋼板梁與混凝土橋面板結合的鋼混組合梁，組合梁高1.5m），來進行分析與比較。

3.1 混凝土的強度

分別對組合結構混凝土橋面板強度定義為C30、C35、C40、C45、C50、C60進行計算，結果圖8、圖9所示。

圖9 不同混凝土強度組合梁恒載+徐變撓度結果（單位：mm）

通過對比圖可知，混凝土C30～C50的組合結構撓度結果較為接近，C60撓度明顯減小；組合梁橋面板上緣壓應力在混凝土C60時明顯增大約0.6MPa。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）的附錄C.2.2中對于強度等級C50及以上混凝土，混凝土名義徐變系數0需乘以混凝土材料系數。

小結：隨著混凝土標號的增加，混凝土板上緣壓應力及組合梁撓度變化不大，但高標號混凝土徐變變形小。

3.2 混凝土橋面板的理論厚度[4]

分別對組合結構混凝土橋面板理論厚度計算中的U構件與大氣接觸的周邊長度定義為（1）整個橋面板外表面周長，則h1=181.8mm；（2）按扣除與混凝土橋面板接觸的工字梁上翼緣寬度的外表面周長，則h2=205.1mm；（3）按扣除與瀝青鋪裝接觸及混凝土橋面板接觸的工字梁上翼緣寬度的外表面周長，則h3=421.1mm；結果如圖10～圖12所示。

通過對比圖可知，隨著混凝土橋面板理論厚度的增加，組合梁撓度相應減小，混凝土橋面板上下緣壓應力也相應增加，但混凝土的收縮效應更為顯著。

圖11 不同混凝土橋面板的理論厚度組合梁跨中混凝土板下緣應力結果（單位：MPa）

小結：通過對U構件與大氣接觸的周邊長度的定義不同可見，在設計時，構件與大氣接觸的周邊長度的取值應當整個橋面板外表面周長則計算結果偏保守。

3.3 混凝土的齡期

分別對組合結構混凝土齡期定義為3 d、28 d、60 d、120 d、180 d、360 d進行計算，結果如圖13、圖14所示。

圖14 不同混凝土齡期組合梁恒載+徐變撓度結果（單位：mm）

通過對比圖可知，隨著澆筑的混凝土齡期的增加，組合梁結構的撓度變形在減小，混凝土橋面板上緣壓應力相應增加，混凝土徐變效應下360 d齡期較3 d齡期組合梁混凝土板上緣拉應力減小1.1MPa。根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG/T D64-01-2015）的6.2.4，預制板安裝前宜存放6個月以上可知，齡期較長的混凝土在與鋼結構結合后，最終的組合結構撓度增加量會減小。

小結：在工程允許的情況下，盡可能采用預制混凝土橋面板，混凝土的收縮徐變對結構的影響較小。若采用現澆的形式。撓度初期增長快，后期撓度逐漸趨于穩定，盡可能在1個月后再拆模較好。

3.4 環境年平均濕度[5]

分別對環境年平均濕度定義為50%、60%、70%、80%、90%進行計算，結果如圖15、圖16所示。

通過對比圖可知，隨著環境年平均濕度的增加，組合梁撓度相應減小，混凝土橋面板上緣壓應力也相應增加，環境年平均濕度較大地區混凝土橋面板上緣拉應力將顯著減小。

小結：環境年平均濕度增加，橋面板上緣拉應力減小，混凝土橋面板不易開裂。在濕度較低的區域施工時，應當做好混凝土養護避免混凝土開裂。

3.5 抗剪連接件的抗剪剛度[6]

分別對組合結構抗剪連接件的抗剪剛度定義為原抗剪剛度的40%、55%、70%、85%、100%進行計算，結果如圖17所示。

圖17 不同混凝土強度組合梁恒載+徐變撓度結果（單位：mm）

通過對比圖可知，隨著抗剪剛度的增加，組合梁撓度相應減小。當由于抗剪剛度過小，截面產生滑移的趨勢時，徐變效應對于組合梁撓度影響更為明顯。

小結：當剪力連接件的設計滿足規范要求時，忽略混凝土橋面板與鋼結構之間的相對滑移是可行的。

4 結論

隨著混凝土標號的增加，混凝土板上緣壓應力及組合梁撓度變化不大，但高標號混凝土徐變變形小。構件與大氣接觸的周邊長度的取值應當整個橋面板外表面周長則計算結果偏保守。在工程允許的情況下，盡可能采用預制混凝土橋面板，混凝的收縮徐變對結構的影響較小。若采用現澆的形式。撓度初期增長快，后期撓度逐漸趨于穩定，盡可能在1個月后再拆模較好。環境年平均濕度增加，橋面板上緣拉應力減小，混凝土橋面板不易開裂。在濕度較低的區域施工時，應當做好混凝土養護避免混凝土開裂。當剪力連接件的設計滿足規范要求時，忽略混凝土橋面板與鋼結構之間的相對滑移是可行的。

5 結 語

鋼混組合梁的徐變效應在本文研究時，尚存以下問題需做進一步探究：

（1）本文僅考慮簡支鋼混組合結構，并未考慮連續梁結構體系的影響；

（2）在擬定有限元模型進行參數敏感性分析時，并未考慮剪力滯效應。