钢混凝土组合梁桥收缩徐变问题探讨

王振阳

【摘要】本文主要介绍了收缩徐变对不同钢-混凝土组合梁桥的影响及存在的问题，并对典型研究成果进行了探讨。

【关键词】钢-混凝土组合梁；收缩徐变；预测模型

1. 引言

钢-混凝土组合梁是由混凝土板和钢梁通过剪力键连接而成的一种组合结构，具有自重轻、易于施工以及能够充分发挥混凝土和钢材的各自力学性能等优点，被广泛应用于现代桥梁和结构工程中。由于钢-混凝土组合结构是由混凝土和钢材两种性质完全不同的材料紧密结合而成，随着时间的不断推移，混凝土的收缩徐变特性使得钢梁与混凝土翼板之间产生变形差异，导致组合结构产生应力重分布，使混凝土中的应力向钢梁转移。同时，由于绝大部分组合梁结构均采用了柔性剪力连接键，在荷载的作用下，界面处将产生滑移，滑移效应将引起组合梁产生附加挠度，使组合梁的变形发生变化。由于收缩徐变的影响，组合梁的界面滑移和竖向挠度都将随时间而变化。因此，在设计中应对混凝土翼板的收缩徐变效应足够的重视，对组合结构收缩徐变效应的深入研究能够更好地指导设计，避免收缩徐变效应的不利影响，使结构具有更好的耐久性和适用性，同时也能降低成本。

2. 收缩徐变效应对结构的影响

收缩徐变对桥梁结构的影响主要表现在以下几个方面：

（1）在钢筋混凝土、预应力混凝土等配筋构件中，随时间而变化的混凝土徐变、收缩受到内部配筋的约束将导致内力的重分布。预应力损失实际上也是预应力混凝土构件内力重分布的一种。

（2）预制的混凝土梁或钢梁与就地灌注的混凝土板组成的结合梁，将由于预制部件与现场浇筑部件之间不同的徐变、收缩值而导致内力的重分布。同样，梁体的各组成部分具有不同的徐变、收缩特性亦将由于变形不同、相互制约而引起内力或应力的变化。

（3）外加强迫变形如支座沉降或支座标高调整所产生的约束内力，也将在混凝土徐变的过程中发生变化，部分约束内力将逐渐释放。

3. 钢-混凝土组合梁收缩徐变的研究现状

钢梁与混凝土板通过剪力键连接，收缩徐变引起的钢梁与混凝土板之间的应力重分配过程比较复杂，进而会导致钢-混凝土组合梁表现出较为复杂的力学行为。收缩和徐变是混凝土最不确定的力学特性，具有很大的离散性，而目前规范所采用的模型是建立在试验均值的基础上，不具有设计保证意义。近年来，国内外学者在这一领域开展了相应的研究，并取得了一定的成果。

3.1混凝土收缩徐变模型

国内外对混凝土收缩的分析基本上能达到一致，但是对于徐变，存在各种不同的理论，考虑的因素也不尽相同，也因此建立了不同的计算模型。目前国际上广泛采用的收缩徐变模型主要有：CEB-FIP、ACI209、BP-KX、B3模型以及老化模型、混合模型等，这些模型均为经验公式或半理论半经验公式。不同模型的建立机理不完全相同，参数的选用也各有特点。为了考虑混凝土中诸多材料参数和环境因素对收缩徐变的影响，均在大量的實验数据上进行了统计回归，形成预测模型中的经验参数。无论设计人员使用何种混凝土材料，都只能采用预测模型中有限的几个材料参数来代表非常复杂丰富的材料特性。这也是造成收缩徐变预测精度不高的一个主要原因。我国现行桥规采用的是CEB-FIP模型。其中B3模型是1995年由Bazant教授等提出的，国际材料与结构试验研究联合会（RILEM）推荐的收缩徐变预测模型，目前国内鲜有涉及。

3.2目前收缩徐变模型计算中存在的问题

由于影响混凝土收缩徐变特性的因素十分广泛、复杂，到目前为止，还没有一种理论可以完整准确地解释或预测混凝土的收缩徐变特性。国内外不同的规范采用不同的收缩徐变计算模型，其计算结果有时差异也很大。在大跨度预应力混凝土桥梁设计中，随着跨度的不断增加，混凝土收缩徐变对结构的适用性和耐久性的影响愈加明显，如何选择预测模型、如何提高对混凝土徐变收缩的预测精度成为困扰设计人员的一个问题。

3.3相关研究成果

杨奇涛通过数值分析对比收缩和徐变对组合梁的影响，得出了组合梁各界面挠度和滑移随时间不断变化，在收缩徐变作用下，各截面的挠度值增加，滑移量减小，但收缩和徐变对组合梁变形的影响程度有很大差异，收缩作用的影响较大；对于混凝土翼板来说，收缩效应和徐变效应对翼板应力的影响具有相反的作用，即徐变趋于减小混凝土翼板的应力，收缩则反之，但对于钢梁截面的应力变化来说，收缩和徐变具有相同的效应，均趋于增大钢梁截面的应力。

赵刚云等综合考虑徐变模型、收缩模型、混凝土抗压强度、混凝土弹性模量、环境湿度、钢材弹性模量、荷载以及剪力键刚度的随机性，利用拉丁超立方抽样方法和基于响应面的蒙特卡洛发对简支钢-混凝土组合梁在长期何在作用下的内力和变形进行计算分析。结果表明，钢-混凝土组合梁的长期行为表现为较大的离散性，且离散性有随时间增长而加大的趋势。相比拉丁超立方抽样，基于响应面的蒙塔卡洛法可以方便地得出结构相应的随机分布信息，当结构相应不服从正态分布时，该方法能给出更为合理的结果。

In-Hwan Yang等提出了收缩徐变的影响下预应力混凝土箱梁桥（PSC）的一种概率分析方法和灵敏度分析方法。三种可能的结构响应的不确定性来源被认为是：（1）收缩徐变模型的不确定性；（2）参数变化；（3）环境条件。通过概率预测和敏感性分析预应力混凝土箱梁桥的轴向缩短，提供了一个现实的工具来确定预应力混凝土箱梁桥的不确定性分析和识别的最重要的因素。

李法熊等探讨混凝土收缩、徐变对组合梁斜拉桥变形、内力及应力的影响。在混凝土收缩、徐变影响下，全桥斜拉索索力重分布，桥塔两侧斜拉索索力降幅最大，约为8%。受短索卸载影响，桥塔支点处主梁负弯矩增大，同时也降低了主梁轴力，最大降幅为5.3%；组合梁中混凝土收缩、徐变被钢梁约束，引起截面应力重分布，混凝土板产生附加拉应力，钢梁产生附加压应力。混凝土收缩、徐变对混凝土板应力变化的影响程度低于钢梁。成桥10天后，混凝土储存的压应力最大降低幅度约为24.8%，钢梁压应力最大增幅约为59.2%。

赵刚云等对钢-混凝土组合梁仅在收缩徐变作用下的长期效应进行了分析，推导了混凝土梁上的纵向拉应力和钢-混凝土之间的剪应力计算公式。计算公式可以为混凝土梁的抗收缩设计和钢-混凝土之间的抗剪设计提供参考。

孙海林等采用纤维模型编制了有限元程序，利用MC90收缩和徐变模型对简支钢-混凝土组合梁在长期荷载作用下的变形进行了分析，计算结果与试验结果相吻合。基于数值模型对影响组合梁长期变形的收缩和徐变参数进行了分析，并根据徐变和收缩引起的长期变形的机制，建议徐变变形计算采用“有效弹性模量”的换算截面法，收缩变形采用直接的方法计算，使得计算概念更为合理，且比现有方法与试验结果吻合更好。

邱文亮等基于按龄期调整的有效模量法，提出了部分剪力連接钢-混凝土组合梁在长期荷载作用下收缩徐变分析的简化有限元模型，并通过建立特殊的剪力连接件单元刚度矩阵和利用Newton-Raphson迭代方法考虑滑移效应，同时考虑了负弯矩区混凝土板开裂对组合梁刚度和强度的影响。已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本模型用于分析钢-混凝土组合梁收缩徐变是可靠的。

吕朝锋等提出状态空间法求解得到任意截面处界面剪力和界面滑移沿轴向分布的解析解，并研究了剪力连接键滑移刚度的变化对组合梁挠度的影响。结果表明，剪力连接键滑移刚度越大，挠度随收缩徐变累积的相对增加量越大，界面剪力和界面滑移随加载时间逐渐减小。同时给出了合理抗滑移刚度的建议值。

4.结论

钢-混凝土组合结构梁充分利用了钢材和混凝土的优点，但是混凝土的收缩徐变引起结构内力和应力的重分布的问题至今没有得到有效的解决。而对于组合结构，钢梁与混凝土板通过剪力连接键连接，其收缩徐变行为十分复杂。目前国内外对收缩和徐变对长期荷载作用下钢-混凝土组合梁弯曲变形以及界面剪力和相对滑移的影响还没有统一的计算理论和预测模型。而且关于混凝土徐变机理的各种理论和假设，迄今为止还没有一种能被广泛接受，还需要进一步研究。

参考文献

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