大跨度高鐵斜拉橋鋼-混結(jié)合主梁收縮徐變研究

李銘偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，建設(shè)大跨度高速鐵路橋梁的技術(shù)水平也在不斷提高。其中，鋼混結(jié)合梁斜拉橋以其良好的受力特性及優(yōu)美的外觀特征越來(lái)越多地被應(yīng)用到高速鐵路建設(shè)中[1-3]。

混凝土收縮徐變是混凝土材料隨時(shí)間變化所固有的屬性，自20世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過了近一個(gè)世紀(jì)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，其產(chǎn)生機(jī)理和計(jì)算方法得到不斷地發(fā)展與完善。R.lan Gilbert等提出了兩種用于鋼混結(jié)合截面徐變的分析方法，一種是采用按齡期調(diào)整有效模量法進(jìn)行徐變行為的描述，另一種是分解混凝土微分本構(gòu)關(guān)系及徐變率的方法[4]；Claudio Amadio等提出簡(jiǎn)化的按齡期調(diào)整有效模量法[5-6]；Tehami等指出，在進(jìn)行混凝土收縮徐變對(duì)鋼混組合結(jié)構(gòu)受力性能的影響時(shí)，必須充分考慮時(shí)間的影響[7]；樊建生等對(duì)結(jié)合梁收縮徐變效應(yīng)及混凝土開裂影響進(jìn)行試驗(yàn)研究[8-9]。鋼、混凝土兩種材料結(jié)合成整體，兩者之間互相約束，單一材料變形的改變都會(huì)影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，發(fā)生內(nèi)力重分布，由于混凝土材料的收縮徐變?cè)斐山Y(jié)合梁的附加變形可能會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失、混凝土板開裂、變形超過容許值等有害影響，影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性[10]。因此，研究此種特殊結(jié)構(gòu)的收縮徐變效應(yīng)有非常重要的意義。

以贛江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⑷珮蛴邢拊獢?shù)值分析模型，對(duì)成橋后的贛江特大橋在收縮徐變作用下的受力特性變化進(jìn)行分析。同時(shí)在建模過程中考慮橋面板不同的加載齡期，討論在不同加載齡期下混凝土收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

2 工程概況

贛州贛江特大橋?yàn)槟喜邻M州高速鐵路的控制性工程之一，全橋長(zhǎng)2 155.44 m?？缵M江主橋?yàn)殇?混凝土混合結(jié)合梁雙塔斜拉橋，孔跨布置為(35+40+60+300+60+40+35) m，主橋采用塔梁分離的半漂浮結(jié)構(gòu)體系，拉索為雙索面布置，索塔處設(shè)置豎向帶縱向阻尼支座、橫向抗風(fēng)支座，邊墩及輔助墩設(shè)置豎向支座(一側(cè)為單向滑動(dòng)，一側(cè)為雙向滑動(dòng))。主橋全橋立面布置如圖1所示。

圖1 贛江特大橋主橋立面布置(單位：m)

主梁由混凝土箱梁、鋼-混凝土結(jié)合梁及兩種梁型的過渡段三部分組成，一側(cè)混凝土主梁長(zhǎng)155.75 m，邊支座中心線至梁端0.75 m，支座橫橋向中心距5.0 m，鋼-混結(jié)合段位于主梁中跨距索塔中心20 m處，一側(cè)過渡段長(zhǎng)10 m。邊跨混凝土箱梁不僅起到斜拉橋壓重的作用，還能很大程度上減小主跨的變形及應(yīng)力。鋼-混凝土結(jié)合梁采用箱形結(jié)合梁型式，設(shè)置弧形風(fēng)嘴，橋面寬16.3 m，梁高4.475 m(結(jié)合梁中心線處)。鋼箱梁頂板同橋面板濕接縫之間采用剪力釘結(jié)合成整體。鋼-混結(jié)合梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面如圖2所示。

圖2 鋼-混結(jié)合梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面(單位：mm)

鋼箱梁為開口形式，采用工廠分段預(yù)制部件，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的施工方法?；炷翗蛎姘迦珜?6.3 m，橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度30 cm，在鋼梁上翼緣附近區(qū)域加厚至50 cm。橋面板分為預(yù)制板、縱向濕接縫及橫向濕接縫三部分。

3 橋面板收縮徐變影響分析

3.1 數(shù)值分析模型

混凝土主梁與鋼-混凝土結(jié)合梁之間的過渡段采用“埋入式+前后承壓板式”鋼-混凝土接頭。整個(gè)過渡段段長(zhǎng)10 m，其中，包括2 m鋼梁埋入節(jié)段、5 m剛度過渡節(jié)段和3 m頂?shù)装鍧u變節(jié)段。以下重點(diǎn)研究主跨鋼-混凝土結(jié)合梁的空間受力特性，對(duì)過渡段建模時(shí)，將5.0 m長(zhǎng)簡(jiǎn)化為混凝土梁截面，將5.0 m長(zhǎng)簡(jiǎn)化為鋼-混凝土結(jié)合梁截面，依據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)鋼-混凝土主梁混合段容重進(jìn)行修正。

采用軟件中施工聯(lián)合截面模塊來(lái)對(duì)主跨鋼-混凝土結(jié)合梁截面進(jìn)行模擬[11]，并采用變截面組考慮主跨不同位置處結(jié)合梁截面的變化。

模型采用梁?jiǎn)卧M橋塔和主梁，采用索單元模擬斜拉索，全橋共建立梁?jiǎn)卧?08個(gè)，索單元96個(gè)，節(jié)點(diǎn)795個(gè)。贛江特大橋主橋有限元模型如圖3所示。

圖3 主橋全橋有限元模型

斜拉橋主跨鋼箱梁選用Q345qD鋼材；鋼箱梁上混凝土橋面板及混凝土主梁選用C55混凝土；橋塔及塔上橫梁均選用C40混凝土；斜拉索選用φ7 mm的熱擠聚乙烯鍍鋅平行鋼絲拉索。各部分材料參數(shù)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

斜拉橋施工共劃分了72個(gè)施工階段，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合梁段的施工流程如下。

①逐次移動(dòng)吊機(jī)至施工位置；

②逐次吊裝鋼箱梁；

③逐次對(duì)應(yīng)張拉斜拉索；

④逐次施工鋼箱梁上橋面板后對(duì)應(yīng)張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束。

模型中考慮的荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、溫度荷載、斜拉索張拉力、二期恒載、基礎(chǔ)變位、橋面吊機(jī)荷載以及ZK活載。

采用正裝迭代方法[12]，確定贛江特大橋的合理施工狀態(tài)索力。其中，初始張拉索力依據(jù)本節(jié)段施工的梁體重量和吊機(jī)重量求得，二次調(diào)索索力為正裝迭代方法取的首次張拉索力，成橋狀態(tài)索力經(jīng)過多次迭代計(jì)算后得到。

3.2 收縮徐變計(jì)算理論

根據(jù)鄭緯奇等研究結(jié)論，認(rèn)為采用CEB-FIP90計(jì)算理論預(yù)測(cè)鋼混結(jié)合梁的收縮徐變精度較高[13-14]，該理論預(yù)測(cè)混凝土收縮應(yīng)變的計(jì)算公式為

εcs(t，t0)=εcs0βs(t，ts)=εs(fcm)βRHβs(t-ts)

(1)

式中，εcs0為名義收縮系數(shù)；εs(fcm)為混凝土強(qiáng)度修正系數(shù)；βRH為環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù)；βs(t-ts)為縮進(jìn)程函數(shù)。

該理論預(yù)測(cè)混凝土徐變系數(shù)的計(jì)算公式為

φ(t，τ0)=φ0βc(t，τ0)

(2)

式中，φ0為名義徐變系數(shù)，φ0=φRHβ(fcm)β(τ0)·βc(t，τ0);βc(t，τ0)為徐變系數(shù)進(jìn)程系數(shù)；φRH為環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù)；β(fcm)為混凝土強(qiáng)度修正系數(shù)；β(τ0)為加載齡期修正系數(shù)。

3.3 成橋階段受力特性分析

斜拉索的水平分力為斜拉橋主梁提供一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，使混凝土優(yōu)異的抗壓性能得到充分發(fā)揮。但斜拉索的水平分力同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致主梁混凝土結(jié)構(gòu)徐變效應(yīng)增長(zhǎng)。

圖4、圖5給出了施工成橋階段結(jié)合梁混凝土橋面板及鋼箱梁的受力情況。

圖4 混凝土橋面板施工成橋階段截面應(yīng)力包絡(luò)曲線

圖5 鋼箱梁施工成橋階段截面應(yīng)力包絡(luò)曲線

由圖4、圖5可以看出，在施工成橋階段，結(jié)合梁橋面板頂?shù)拙壘闯霈F(xiàn)拉應(yīng)力，頂緣應(yīng)力為-15.80 MPa，底緣應(yīng)力為-14.30 MPa(均小于[σb]=18.5 MPa)；鋼箱梁頂緣應(yīng)力為-208 MPa，底緣應(yīng)力為-74.10 MPa(均小于[σs]=210 MPa)。

圖6給出了成橋初期、運(yùn)營(yíng)1年、運(yùn)營(yíng)3年、運(yùn)營(yíng)5年結(jié)合梁橋面板及鋼箱梁的受力情況。

圖6 鋼混結(jié)合梁運(yùn)營(yíng)階段截面應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

由圖6可以看出：

①結(jié)合梁頂緣σcmin=-10.80 MPa，結(jié)合梁底緣的應(yīng)力σcmin=-65.20 MPa，均小于容許值；

②結(jié)合梁頂緣成橋初期到運(yùn)營(yíng)5年后應(yīng)力變化最大值為2.52 MPa，其中，運(yùn)營(yíng)1年后的變化占56.7%，運(yùn)營(yíng)3年后的變化占76.7%；

③結(jié)合梁底緣成橋初期到運(yùn)營(yíng)5年后應(yīng)力變化最大值為-13.1 MPa，其中，運(yùn)營(yíng)1年后的變化占50.9%，運(yùn)營(yíng)3年后的變化占78.9%。

3.4 橋面板不同加載齡期收縮徐變效應(yīng)比較

混凝土的加載齡期是影響混凝土徐變效應(yīng)的一項(xiàng)主要因素[15]，徐變系數(shù)增長(zhǎng)速率隨加載齡期的延長(zhǎng)而縮小。贛江特大橋主跨超過300 m，為減小結(jié)合梁中混凝土橋面板收縮徐變對(duì)橋梁工后變形的影響，需分析其加載齡期參數(shù)，為確定預(yù)制橋面板的加載齡期提供依據(jù)。

加載齡期分別取28 d、60 d、90 d、180 d和270 d。通過這種方式，找出此種鋼混結(jié)合梁斜拉橋運(yùn)營(yíng)5年后主梁撓度以及混凝土橋面板、鋼箱梁的應(yīng)力變化規(guī)律。選取主梁跨中截面為研究對(duì)象，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 主橋跨中截面撓度及應(yīng)力變化對(duì)比

進(jìn)一步分析工后變形，即從鋪設(shè)鋼軌后開始至計(jì)算期的變形差值，選取主跨跨中截面，結(jié)果見表2。

表2 橋面板不同加載齡期對(duì)主跨跨中截面工后變形差值影響

由圖7及表2可以看出：

①結(jié)合梁隨橋面板混凝土加載齡期的延長(zhǎng)，整個(gè)截面的應(yīng)力重分布程度逐漸減弱。加載齡期越長(zhǎng)，結(jié)合梁橋面板頂緣壓應(yīng)力越大，鋼箱梁底緣應(yīng)力越小。齡期為180 d和270 d時(shí)，結(jié)合梁頂?shù)拙墤?yīng)力變化差別較?。?/p>

②橋面板混凝土加載齡期越長(zhǎng)，鋪設(shè)鋼軌后的結(jié)合梁撓度越小，至計(jì)算期的工后變形增量也降低。根據(jù)我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，無(wú)砟軌道鋪設(shè)完成后，橋梁的豎向殘余徐變變形不應(yīng)大于L/5 000且不應(yīng)大于20 mm，故加載齡期為180 d和270 d時(shí)，殘余徐變變形可以滿足規(guī)范要求且兩者之間差別較小。

4 結(jié)論

(1)在施工成橋階段，贛江特大橋鋼混結(jié)合梁橋面板及鋼箱梁各截面頂?shù)拙墤?yīng)力均未超過規(guī)范規(guī)定的容許值，說明主梁在施工成橋階段的受力狀態(tài)合理。

(2)在運(yùn)營(yíng)階段，贛江特大橋鋼混結(jié)合梁橋面板及鋼箱梁受力均滿足規(guī)范要求，結(jié)合梁在成橋1年后收縮徐變完成了50%以上，3年后完成了80%左右。

(3)橋面板混凝土的加載齡期越長(zhǎng)，結(jié)合梁撓度及應(yīng)力受收縮徐變的影響越小，工后豎向殘余徐變變形越小。在大跨度高鐵無(wú)砟軌道結(jié)合梁斜拉橋施工過程中，應(yīng)將結(jié)合梁橋面板預(yù)制存放180 d后，再進(jìn)行吊裝，可以有效降低混凝土收縮徐變對(duì)此種結(jié)構(gòu)正常使用期間力學(xué)行為的影響。