不同收縮徐變模型下的剛構橋結構響應研究

鄭 嬋

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 100000)

在如今的公路、鐵路橋梁建設中，混凝土剛構橋因其剛度大、施工技術成熟等優(yōu)勢而得到廣泛運用，同時其跨徑也在不斷增大，在運營使用過程中，出現(xiàn)了主梁跨中下?lián)霞哟蟆⒘后w開裂等問題，影響到了橋梁本身的使用壽命[1]。收縮徐變作為混凝土劣化的時變材料特性，對于混凝土橋梁長期服役性能有著至關重要的影響[2，3]。

運用midas Civil有限元分析軟件，建立連續(xù)剛構橋全過程施工有限元模型，分析不同收縮徐變計算模型下的橋梁結構響應，得出相互之間的結構受力結果區(qū)別。

1 工程實例

慶嘉連續(xù)剛構橋跨徑布置為50 m+86 m+50 m，箱頂寬13 m，底寬7.5 m，懸臂長度3.0m，箱梁根部斷面梁高為5.2 m，其余梁底下緣按1.8次拋物線變化。主梁采用C50混凝土，主梁預應力鋼束均采用鋼絞線，抗拉強度標準值fpkMPa。

2 不同收縮徐變模型計算理論

徐變效應是混凝土材料應力不變下應變隨時間發(fā)展的現(xiàn)象，混凝土收縮則因其影響因素多、變化大，故難以準確定量描述。當前許多學者已經(jīng)很提出了較多的收縮徐變計算模型[4]，不同的模型有著其獨有的使用條件，參考規(guī)范及文獻，此處選取CEB-FIP模型[5]、公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范(JTG D62—2004)模型[6](以下簡稱JTG D62—2004模型)、歐洲模型[7]、ACI[8]模型作為對比對象。

3 有限元模型建立

采用midas Civil軟件建立有限元分析模型，主梁及墩柱采用空間梁單元模擬，主梁與墩柱采用剛性連接，墩柱底部為固結約束，主梁支座選用帶有剛度系數(shù)的彈性連接模擬，標準節(jié)段施工按照移動掛籃、懸臂澆筑、張拉預應力順序進行模擬，收縮徐變模型通過軟件自帶模塊進行相應輸入。全橋離散為135個節(jié)點，126個單元。

為了方便分析，此處將CEB-FIP模型、JTG D62-2004模型、歐洲模型、ACI模型分別命名為模型1、模型2、模型3、模型4，計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)表

4 不同模型下的結構響應分析

4.1 施工期結構變形分析

為了得出不同模型作用下施工期的影響結果，選取最大懸臂段以及成橋階段收縮徐變效應下計算結果進行匯總，不考慮其他荷載作用。由于橋梁跨徑對稱，左右半橋實際基本是同時施工，因此選取半跨進行結果提取，成橋階段選取所有主梁節(jié)點，節(jié)點號按照從左至右依次編號，其變形結果如圖1、圖2所示。

圖1 最大懸臂節(jié)段變形圖

圖2 成橋階段變形圖

根據(jù)圖1變形曲線圖所示，在施工最大懸臂段時，懸臂位置節(jié)段總體變形量由大到小依次為模型4、模型2、模型1、模型3，相較于模型3，模型4變形增加了約3 mm，增幅接近50%，說明模型4對于變形影響最大，模型3最小；在12號～25號節(jié)點之間，靠近墩柱位置節(jié)段模型4變形最小，模型3最大，可以看出懸臂端的下?lián)鲜沟枚罩?jié)段出現(xiàn)反拱趨勢，墩頂截面頂板承受較大負彎矩，易出現(xiàn)開裂風險；模型1與模型2整體趨勢基本一致，數(shù)值也較為接近，選擇任一模型對于變形結果無顯著影響。

成橋狀態(tài)下，不同模型之間變形趨勢與最大懸臂階段相同，由于1#、2#墩柱高度不同，橋墩自身收縮徐變會導致橋墩沉降不一致，使得跨中左右節(jié)段變形不對稱，因此對于高低墩剛構橋來說，需要關注左、右半橋高程變化情況，針對不同變形進行相關預拱度的調(diào)整。

4.2 運營期結構響應分析

(1)結構變形結果分析

針對四種不同的收縮徐變模型，考慮施工成橋后十年運營時間，選取主梁左右節(jié)段收縮徐變效應下變形結果繪制曲線圖。從圖3中可以看出，十年運營期，節(jié)段變形由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，相比于施工期變形量對比結果，模型1長期效應比短期效應更為顯著，最大變形接近30 mm；模型4下結構最大變形處比成橋只增加約3.8 mm，此結果用來作為后期養(yǎng)護評估較為冒險，不建議采用；模型2與模型3長期效應結果較為接近，無明顯區(qū)別。

圖3 運營期結構變形圖

(2)結構受力結果分析

對于剛構橋的來說，可選取各跨跨中及墩頂附近等位置截面作為分析對象。提取截面彎矩數(shù)值見表2，可以看出， 任意截面位置處， 模型1的彎矩效應值最大，跨中合龍段D-D截面彎矩效應值由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，墩頂截面彎矩效應值由大到小依次為模型1、模型4、模型2、模型3，模型2與模型4總體數(shù)值較為接近，模型3最小，在實際應用過程中，若結構受力方面保守考慮，可選擇模型1作為計算模型。

表2 不同模型下的截面彎矩值

判斷混凝土結構是否良好，可以根據(jù)結構應力數(shù)值是否滿足要求來進行評估，為了對比徐變效應的影響，忽略因約束而產(chǎn)生的附加二次應力，只考慮有限元模型中徐變一次工況下的受力情況，如圖4所示。從圖中可以看出，徐變一次工況下，結構整體仍處受壓狀態(tài)，最大壓應力為模型1中的13.25 MPa，最小壓應力為模型3中的6.97 MPa，對于混凝土結構來說，抗壓強度遠大于抗拉強度，因此針對于以應力作為評估對象，考慮后期較為保守估計的前提下，可選用模型3來所謂計算依據(jù)。同時對比全橋受力情況，不同模型之間區(qū)別較小，由此可以看出徐變模型不影響應力分布情況。

圖4 不同模型下的徐變一次結構應力圖/MPa

5 結 論

基于建立考慮不同收縮徐變模型下的連續(xù)剛構橋有限元模型，選取最大懸臂階段、成橋狀態(tài)以及十年運營期作為計算時間節(jié)點，對比分析各工況下的主梁變形及受力結果，得出以下結論：

(1)最大懸臂階段總體變形量由大到小依次為模型4、模型2、模型1、模型3，模型4對于變形影響最大，模型3最小，模型1與模型2整體基本能保持一致；對于高低墩剛構橋需要根據(jù)不同變形調(diào)整預拱度設置。

(2)十年運營期，節(jié)段變形由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，模型1長期效應比短期效應更為顯著，模型4作為后期變形預測指標較為冒險。

(3)選用模型3可作為評估結構受力情況的保守預測手段，同時不同徐變模型所得的應力分布情況基本相同，影響可忽略不計。