混凝土收縮徐變對(duì)鋼混組合梁橋的影響

侯帆

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210000）

1 基本概念

收縮是混凝土的固有特性，是混凝土中水分的變化、其他物理化學(xué)反應(yīng)等因素所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)體積變化的物理化學(xué)現(xiàn)象，是一種與荷載無(wú)關(guān)的時(shí)變行為。徐變跟收縮一樣，也是混凝土的固有特性。混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下，隨著時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不變但變形不斷增加的一種現(xiàn)象。一般徐變?cè)缙诎l(fā)展較快、后期較慢，要經(jīng)歷約10a 才基本完成并穩(wěn)定。徐變的計(jì)算方法有效模量法（EMM）、徐變率法（RCM）、彈性徐變理論。流動(dòng)率法、按齡期調(diào)整的有效模量法等經(jīng)典理論，按齡期調(diào)整的有效模量法是在工程中應(yīng)用最廣泛且計(jì)算結(jié)果較為精確的方法。

根據(jù)鋼混組合梁橋的材料特性可知，鋼結(jié)構(gòu)在允許荷載范圍內(nèi)可認(rèn)為是彈性材料，而混凝土則是典型的彈塑形材料，其在環(huán)境、永久荷載作用下將產(chǎn)生收縮及徐變，伴隨產(chǎn)生較大的塑性變形。根據(jù)JTG/T D64-01—2015《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》簡(jiǎn)支鋼混組合橋梁可以參考規(guī)范采用調(diào)整鋼材與混凝土的長(zhǎng)期彈性模量比的方法，按照混凝土收縮徐變系數(shù)曲線考慮對(duì)結(jié)構(gòu)的綜合影響。

如按上述方法計(jì)算需滿足以下基本假定：（1）鋼材處于彈性狀態(tài)，混凝土橋面板應(yīng)力低于0.5 倍抗壓強(qiáng)度；（2）忽略鋼梁與混凝土之間的界面滑移，組合截面符合平截面假定；（3）假定橋面板整個(gè)過(guò)程未產(chǎn)生開(kāi)裂。

由工程實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，鋼混組合梁橋面板應(yīng)力一般均在10MPa 以內(nèi)，應(yīng)力水平較低。據(jù)研究當(dāng)混凝土截面應(yīng)力低于0.5 倍抗壓強(qiáng)度時(shí)，截面彈性應(yīng)變與徐變應(yīng)變均和應(yīng)力呈線性關(guān)系。同時(shí)，在滿足規(guī)范要求的栓釘連接方案前提下，各項(xiàng)假定均可滿足。

因此，對(duì)于鋼混組合梁橋的收縮及徐變效應(yīng)可以單獨(dú)計(jì)算后予以疊加。由于收縮效應(yīng)計(jì)算與徐變效應(yīng)基本類似，因此，本文重點(diǎn)研究徐變效應(yīng)對(duì)鋼混組合梁的影響。

由于混凝土是彈塑性材料，其結(jié)構(gòu)彈性模量是隨著時(shí)間變化的，根據(jù)楊氏模量法基本原理，計(jì)算永久作用組合下的截面幾何特性時(shí)，混凝土的彈性模量可以近似采用割線模量代替，割線模量又稱為等效彈性模量，按照其二者關(guān)系有：

式中，著e 為混凝土的彈性應(yīng)變；著p 為混凝土的塑性應(yīng)變；Es，Ec為鋼材與混凝土的彈性模量。

考慮混凝土徐變的長(zhǎng)期鋼材與混凝土的長(zhǎng)期彈模比琢L的計(jì)算按下式計(jì)算：

式中，琢L 為長(zhǎng)期荷載作用下鋼與混凝土彈性模量比；琢E 為短期荷載作用下鋼與混凝土彈性模量比；漬（t，t0）為加載齡期為t0，計(jì)算齡期為t的混凝土徐變系數(shù)（徐變應(yīng)變/彈性應(yīng)變）；鬃為根據(jù)作用類型確定的收縮因子，永久作用取1.1，混凝土收縮作用取0.55。

上述計(jì)算方法對(duì)于鋼混組合梁簡(jiǎn)支梁橋的徐變效應(yīng)可以滿足精度要求，但對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，組合截面的內(nèi)力是變化的，所以由混凝土徐變產(chǎn)生的附加內(nèi)力也是變化的，應(yīng)采用有限元法等更精確的分析方法。在計(jì)算鋼混組合梁長(zhǎng)期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)采用鋼材與混凝土的長(zhǎng)期模量比值琢L 代替彈性模量的比值琢E 進(jìn)行計(jì)算。

2 鋼混組合梁橋施工方案與內(nèi)力計(jì)算

在組合梁彈性分析中，應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)滿足不同施工階段的受力要求，同時(shí)考慮施工過(guò)程的影響。由于鋼混組合梁一般用在跨越道路、河道等工期要求較緊的工程中，以發(fā)揮其快速施工、降低影響的優(yōu)勢(shì)，一般采用鋼梁吊裝+橋面板施工的方案。

施工階段：為方便施工，施工時(shí)利用鋼梁作為施工模板或支架，支撐澆筑混凝土橋面板，本階段鋼梁與混凝土橋面板尚未形成組合截面，鋼梁?jiǎn)为?dú)承擔(dān)全部荷載。

成橋階段：本階段橋面板已硬化形成強(qiáng)度，此時(shí)鋼梁與橋面板形成組合截面，共同承擔(dān)后續(xù)施加的荷載。

從施工過(guò)程可以看出，在使用階段荷載的頻遇組合效應(yīng)部分（活載頻遇組合）應(yīng)由組合梁的換算截面承擔(dān)，荷載的準(zhǔn)永久值組合效應(yīng)由考慮了長(zhǎng)期徐變效應(yīng)的換算截面承擔(dān)。

由上述分析可知，按照彈性設(shè)計(jì)方法計(jì)算組合梁抗彎承載力時(shí)，需要分別按照鋼梁、組合截面、考慮徐變效應(yīng)的組合截面3 組截面特性，進(jìn)行分別對(duì)應(yīng)與施工階段、頻遇作用、準(zhǔn)永久作用進(jìn)行計(jì)算。

3 徐變對(duì)截面彈性應(yīng)力變化的影響

根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于混凝土徐變計(jì)算的規(guī)定，對(duì)某工程實(shí)例項(xiàng)目分別計(jì)算了1 個(gè)月、6 個(gè)月、1～10 年的收縮應(yīng)變及徐變系數(shù)如圖1 所示，其中相對(duì)濕度75%，橋面板理論厚度0.3m，徐變加載齡期7d。

根據(jù)圖1 可知，徐變效應(yīng)一般在10a 后趨于穩(wěn)定，因此，一般工程計(jì)算考慮10a 作為結(jié)構(gòu)徐變效應(yīng)終止時(shí)間。

根據(jù)式（2），徐變因子根據(jù)不同的作用類型取不同的數(shù)值，對(duì)于永久作用取1.1，而混凝土收縮取0.55。因組合梁徐變作用效應(yīng)僅在橋面板施工后產(chǎn)生，由二期恒載及混凝土收縮效應(yīng)組成，且恒載占比較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文徐變因子按照恒載作用類型取1.1 進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)長(zhǎng)期彈模比。

圖1 徐變系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖2 給出了組合梁成橋10a 間徐變效應(yīng)對(duì)應(yīng)力的影響情況，可以看出，鋼梁上下緣應(yīng)力分別增加了10%及5%，混凝土橋面板應(yīng)力降低了9%。

圖2 鋼梁及混凝土橋面板應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖

由于橋面板混凝土應(yīng)力水平通常較低，時(shí)變效應(yīng)對(duì)其影響較小可以忽略不計(jì)。鋼梁應(yīng)力變化幅度較大，必須加以考慮。

4 徐變結(jié)構(gòu)撓度的影響

上例中考慮成橋及10a 收縮徐變的結(jié)構(gòu)撓度分別為155mm 和189mm，考慮收縮徐變后跨中最大撓度增大了22%，其對(duì)橋梁撓度的影響較為明顯，不可忽略。應(yīng)在施工預(yù)拱度中予以充分考慮（預(yù)拱度），以抵御后期長(zhǎng)期變形對(duì)結(jié)構(gòu)線性的影響。

5 收縮徐變的應(yīng)對(duì)措施

由于收縮徐變呈前期增長(zhǎng)較快后期發(fā)展較為緩慢的特征，不同的材料、施工方法等對(duì)其效應(yīng)發(fā)展具有較大影響。

5.1 UEA 補(bǔ)償收縮混凝土

通常在橋面板混凝土中摻入膨脹劑以抵消收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，其中UEA 膨脹劑由于性能穩(wěn)定、價(jià)格合理，是目前應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品，習(xí)慣上將摻有UEA 的混凝土稱之為補(bǔ)償收縮混凝土，摻量在8%～12%（質(zhì)量比），當(dāng)作為局部填充是可增加到15%。

5.2 纖維混凝土

在混凝土中摻入亂向分布的短纖維（鋼纖維、聚丙烯纖維等）形成一種復(fù)合材料，纖維材料能夠有效阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土抗拉壓強(qiáng)度的同時(shí)減低收縮變形。根據(jù)研究表明，當(dāng)鋼纖維體積率1%～2%時(shí)，比普通混凝土抗拉強(qiáng)度提高40%～80%，收縮變形降低10%；摻入0.3～0.9kg/m3的聚丙烯纖維混凝土收縮率可比普通混凝土減少8%～15%[1]。

5.3 設(shè)計(jì)與施工

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常為了降低收縮徐變的影響，將現(xiàn)澆橋面板改為預(yù)制橋面板，縮短工期的同時(shí)，降低混凝土的收縮徐變變形，而濕接縫位置采用高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土降低收縮徐變效應(yīng)。預(yù)制橋面板方案通過(guò)提前預(yù)制、存梁、吊裝，在提高施工速度的同時(shí)，以降低收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。因此，JTG/T D64-01—2015《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中建議存梁期6 個(gè)月以上。對(duì)于現(xiàn)澆施工的橋面板，施工期間保證良好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)降低收縮效應(yīng)有益。由于徐變效應(yīng)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平有關(guān)，對(duì)無(wú)臨時(shí)支撐的施工方案，絕大部分恒載有鋼梁承擔(dān)，橋面板應(yīng)力水平較低，這樣也大大降低了徐變的不利影響。