不同規(guī)范下鋼管混凝土勁性骨架拱的收縮徐變分析

王隨軍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

鋼管混凝土勁性骨架拱橋是由混凝土和鋼材兩種完全不同的材料組合而成，混凝土的收縮徐變發(fā)展將導(dǎo)致拱肋中應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和重分布，使混凝土中的應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到鋼管骨架[1-3]。由于混凝土收縮徐變的機理尚未被完全認(rèn)識，各國提出了多種預(yù)測模型[4-5]。同時，對于大跨拱橋，其施工過程復(fù)雜，施工周期長，需要經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致各階段混凝土的應(yīng)力分布水平、混凝土齡期差異巨大，結(jié)合各國規(guī)范的預(yù)測模型和有限元軟件的施工劃分可以深入認(rèn)識各種因素對成橋結(jié)構(gòu)的影響[6-7]，降低收縮徐變，更好地指導(dǎo)設(shè)計和施工。

1 工程概況

本文以某鋼管混凝土勁性骨架拱為依托，其主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，主拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱跨340m，矢高74m，主弦管及橫梁弦管內(nèi)灌注C60自密實無收縮混凝土，拱圈勁性骨架外包C55補償收縮混凝土。主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱三室截面。拱箱外緣高度由拱腳處高11m變至拱頂處高6m。本工程采用纜索吊裝法分段施工。

2 有限元模型的建立

如圖1所示，根據(jù)某鋼管混凝土勁性骨架拱的結(jié)構(gòu)特征和施工安排，運用有限元軟件MIDAS/civil建立全比例三維仿真模型。其模型幾何尺寸、材料參數(shù)與實際結(jié)構(gòu)保持一致。勁性骨架、內(nèi)灌混凝土、外包混凝土選用梁單元模擬，扣索選用桁架單元模擬，全橋結(jié)構(gòu)共計625個節(jié)點、1 780個單元。采用共節(jié)點方式實現(xiàn)勁性骨架與混凝土的協(xié)同作用，而拱肋與拱腳之間完全固結(jié)，扣索與拱肋之間鉸接以模擬實際的工程狀況。全橋施工過程持續(xù)26個月，共劃分為66個施工階段，通過激活或鈍化結(jié)構(gòu)、荷載及邊界條件來模擬。

(a)平面

(b)立面圖1 有限元模型

3 結(jié)果與分析

3.1 收縮徐變撓度對比

利用多個國家或地區(qū)規(guī)范中的混凝土收縮徐變預(yù)測函數(shù)計算的勁性骨架鋼筋混凝土拱橋在成橋后6個月、1年、3年及10年的拱頂(1/2)、1/4及1/8跨徑處拱肋豎向變形值如表1～表4所示，其中正值表示下?lián)稀⒇?fù)值表示上翹。

表1 拱肋六個月的變形值 mm

由表1和表2可知，各國或地區(qū)對早期收縮徐變變形的趨勢預(yù)測基本一致，隨著時間的推移，拱頂位置出現(xiàn)了持續(xù)的下?lián)希袄?/4和1/8跨徑位置基本發(fā)生了一定程度的上翹，形成了“M”形的變形，這與工程實際相吻合。比較可以發(fā)現(xiàn)，對于拱頂位置，歐洲規(guī)范的預(yù)測收縮徐變變形最大，在6個月和一年后的下?lián)现捣謩e為17.1mm和27.3mm，日本規(guī)范的預(yù)測與之較為接近，而中國規(guī)范對變形的預(yù)測值處于中間位置。值得一提的是，根據(jù)美國ACI規(guī)范的預(yù)測，由于收縮徐變的影響，在1/4跨徑處成橋半年內(nèi)出現(xiàn)5.4mm上翹，而半年后上翹逐漸恢復(fù)，到一年期時，變形值僅為上翹3.0mm。

表2 拱肋一年的變形值 mm

表3 拱肋三年的變形值 mm

表4 拱肋十年的變形值 mm

由表3和表4可知，各國或地區(qū)規(guī)范對長期收縮徐變變形中的預(yù)測中，日本規(guī)范的下?lián)现底畲螅渲禐?1.9mm，美國ACI規(guī)范計算變形值最小，其值為32.6mm。中國規(guī)范、CBE-FIP、韓國和歐洲規(guī)范所得的最終變形值在60～70mm之間。

3.2 拱肋收縮徐變應(yīng)力發(fā)展比較

一般而言，拱腳位置的應(yīng)力水平最大，是拱橋應(yīng)力控制的關(guān)鍵截面，圖2～圖4為拱腳截面處勁性骨架、外包混凝土及內(nèi)灌混凝土的收縮徐變作用下的應(yīng)力發(fā)展曲線。

圖2 勁性骨架拱腳處收縮徐變應(yīng)力值

圖3 外包混凝土(C60)拱腳處收縮徐變應(yīng)力值

圖4 內(nèi)灌混凝土(C55)拱腳處收縮徐變應(yīng)力值

由圖2可知，隨著時間的增長，勁性骨架受到的收縮徐變應(yīng)力在持續(xù)的增加，成橋之后的兩年增加較快，第二年到第四年增長變慢，第四年之后，應(yīng)力增長相對平緩。應(yīng)力增長最大的為日本規(guī)范計算值，漲幅接近40.0MPa，最小的為美國ACI規(guī)范計算值，其成橋十年后的應(yīng)力增長幅度為14.3MPa，僅日本規(guī)范計算值的35.75 %。從圖3可見，日本規(guī)范、韓國規(guī)范、歐洲規(guī)范及美國ACI規(guī)范計算的外包混凝土收縮徐變應(yīng)力值均為受拉狀態(tài)，即為卸載狀態(tài)。而中國規(guī)范和CBE-FIP規(guī)范的計算結(jié)果顯示，外包混凝土的應(yīng)力隨著混凝土齡期的增長反而有所上升，但其增加的最大幅值僅為0.62MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼管骨架中的應(yīng)力增幅。可以看出，受收縮徐變的影響，外包混凝土的應(yīng)力逐漸向鋼管發(fā)生了轉(zhuǎn)移。從圖4可以看出，隨著混凝土齡期的增長，內(nèi)灌混凝土的收縮徐變應(yīng)力值變化很小，除了CBE-FIP規(guī)范外，其他規(guī)范計算值基本不變或者出現(xiàn)輕微卸載現(xiàn)象，最大應(yīng)力減小值為不到0.3MPa。

4 結(jié)論

(1)對于跨中而言，歐洲規(guī)范預(yù)測的早期收縮徐變變形(一年內(nèi))發(fā)展最快，達(dá)到了27.3mm，而CBE-FIP和韓國規(guī)范的最小，為18.4mm。在長期收縮徐變變形(十年)發(fā)展預(yù) 測中，日本規(guī)范的下?lián)现底畲螅渲禐?1.9mm，美國ACI規(guī)范計算變形值最小，其值為32.6mm。

(2)隨著時間的推移，勁性骨架受到的收縮徐變應(yīng)力在持續(xù)的增加，表現(xiàn)出先快后緩，最后穩(wěn)定的趨勢。收縮徐變應(yīng)力增長最大的為日本規(guī)范計算值，運營十年后漲幅接近40.0MPa，最小的為美國ACI規(guī)范計算值，僅為日本規(guī)范計算值的35.75 %。

(3)根據(jù)日本規(guī)范、韓國規(guī)范、歐洲規(guī)范及美國ACI規(guī)范的計算，外包混凝土收縮徐變應(yīng)力值使得混凝土處于卸載狀態(tài)。而中國規(guī)范和CBE-FIP規(guī)范的計算結(jié)果顯示，外包混凝土的收縮徐變應(yīng)力隨著混凝土齡期的增長略有上升，但最大幅值僅為0.62MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼管骨架中的應(yīng)力增幅。這說明外包混凝土的應(yīng)力逐漸向鋼管發(fā)生了轉(zhuǎn)移。內(nèi)灌混凝土的收縮徐變應(yīng)力值變化很小。