三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应

三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应

卫建军

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

摘要：混凝土的收缩徐变效应是影响预应力混凝土连续梁桥受力的重要因素。混凝土收缩徐变效应研究是进行混凝土桥梁设计的前提。通过对影响混凝土收缩徐变效应的主要因素分析，揭示混凝土收缩徐变对桥梁变形和内力的影响规律。以某三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥为工程依托，采用有限元仿真分析方法，将连续箱梁所处环境的相对湿度、混凝土加载龄期以及运营时间对混凝土收缩徐变效应的影响进行参数分析。研究认为：混凝土收缩和徐变所引起的连续梁的竖向位移及截面弯矩均随环境相对湿度的增大而减小；随着加载龄期的延长，混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势，而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小；运营时间对混凝土收缩作用引起的梁体竖向位移影响显著，而对截面弯矩无影响，运营时间对混凝土徐变作用引起的梁体竖向位移与截面弯矩均影响较大。文中研究结果对同类工程设计提供一定的参考价值。

关键词：预应力混凝土连续箱梁；混凝土收缩徐变；有限元分析

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0210

文章编号：1672-9315(2015)02-0192-05

收稿日期：*2015-01-20责任编辑：李克永

基金项目：国家自然科学基金青年基金(51204113)；国家自然科学基金(51474173)

中图分类号：U 448.27文献标志码： A

Shrinkageandcreepeffectofthree-spancontinuousvariablecross-sectionprestressedconcretebridge

WEIJian-jun

(College of Civil and Architectural Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Abstract：The shrinkage and creep effect of concrete is an important factor impacting the mechanical of prestressed concrete continuous beam bridges.Research on effects of shrinkage and creep of concrete is a prerequisite for concrete bridge design.Influential law of the deformation and internal force of bridge caused by shrinkage and creep of concrete can be revealed through the analysis on the main factors affecting the effects of shrinkage and creep of concrete.Finite element analysis on the main factors that influences the shrinkage and creep effect of concrete is studied by taking a three-span variable cross-section prestressed concrete continuous box girder bridge as the research object，and the main factors include environmental relative humidity，loading age of concrete, operation time etc.The results show that with the increasing environmental relative humidity.Both the vertical displacement and bending moment caused by shrinkage and creep are both decreased gradually.The vertical displacement and bending moment caused by shrinkage are increased with the loading time.Bridge operation time has significant influences on the vertical displacement of the bridge caused by concrete creep，while it has little influences on the bending moment.Both the vertical displacement and bending moment caused by concrete creep are influenced greatly by bridge operation time.The results can provide a certain reference value for the design of similar project.

Key words：prestressed concrete continuous box girder bridge；shrinkage and creep of concrete；finite element analysis

0引言

预应力混凝土连续梁桥以其受力性能好、跨越能力大、设计和施工技术成熟、养护简单以及造价经济等优势得到了广泛应用[1-3]。但许多桥梁在建成后几年内，其跨中下挠量就超过了施工预拱度：湖北黄石长江大桥通车运营3年后，跨中开始出现持续下挠，运营7年后，主梁跨中最大下挠量与成桥时相比已达到30.5 cm[4]；虎门大桥辅航道桥建成通车7年后，跨中最大下挠量与成桥时相比已达到22.2 cm[5]。另外，英国、美国和挪威等国家预应力混凝土桥梁跨中下挠过大问题也成为制约其桥梁发展的主要问题之一[6-8]。

王铁梦、丁文胜、胡狄、汪剑以及李世伟等针对混凝土梁的下挠或裂缝问题进行了试验或理论分析，认为预应力混凝土连续箱梁在其运营过程中梁体开裂及下挠过大的现象较为普遍，桥梁理论计算下挠远小于实测值；随着运营时间的增加，桥梁下挠速度持续增长，且持续多年；大跨度预应力混凝土桥梁下挠状况也较为常见。其研究结果表明：造成预应力混凝土桥梁下挠的原因除了施工技术水平、预应力损失过大等因素之外，对混凝土收缩徐变作用及其效应认识的不足也是这一现象产生的主要因素[3，9-11]。目前，关于桥梁混凝土的收缩徐变效应国内外学者进行了广泛研究，得出了大量的混凝土收缩徐变模式及其计算方法，但在研究过程中需考虑桥梁所处的自然环境，其得出的桥梁混凝土收缩徐变模式具有局限性。因此，对于桥梁收缩徐变的研究有必要结合实际工程，对其在当地实际环境下结构的受力进行分析，以明确该桥梁的受力性能在当地环境下受混凝土收缩徐变的影响规律。

以某三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥为工程依托，对影响混凝土收缩徐变效应的主要因素包括环境相对湿度、混凝土加载龄期以及桥梁运营时间等进行有限元分析，得出收缩徐变作用对大跨径预应力混凝土连续箱梁受力性能的影响规律。

1有限元分析模型

1.1依托工程概况

文中工程依托跨径布置为55+100+55 m.桥梁梁高变化段梁底曲线采用1.8次抛物线，跨中、边支点处梁高2.85 m，中支点处梁高6.25 m，桥梁总体布置如图1所示。桥梁上部结构采用C55混凝土，布置公称直径为15.2 mm的纵向预应力束，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，张拉控制应力为0.75fpk=1 395 MPa.

图1　连续箱梁总体布置 Fig.1　General arrangement of continuous box girder bridge 注：图中标注除高程外均以厘米计 (a)立面布置　(b)断面布置

1.2有限元模型

文中采用有限元软件Midas对上述三跨预应力混凝土连续箱梁进行梁单元数值模拟。连续箱梁有限元模型共包含65个梁单元、82个节点，有限元模型如图2所示。其中，10#、12#及13#墩顶上游均使用双向活动支座，释放其顺桥向和横桥向平动位移自由度以及横桥向转角位移自由度，下游使用单向活动支座，释放其顺桥向平动位移自由度以及横桥向转角位移自由度；11#墩顶上游释放其横桥向平动位移自由度和转角位移自由度，下游仅释放其横桥向转角位移自由度。

图2　连续箱梁有限元模型 Fig.2　Finite element model of continuous box girder bridge

2连续箱梁收缩徐变效应的主要影响因素分析

2.1相对湿度对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响

图3和图4给出了环境相对湿度对连续箱梁收缩效应的影响，由于结构及荷载对称，文中只给出桥梁左半部分结果。由图3和图4可以看出，随着环境相对湿度的增大，混凝土的收缩效应减弱，混凝土收缩引起的连续梁竖向位移及截面弯矩均逐渐减小，并且中跨跨中位置的竖向位移变化量最大，支座部位墩顶截面的弯矩变化量最大：当环境相对湿度由40%增大至80%的过程中，桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量均为47.9%.

当环境相对湿度由40%增大至80%的过程中，混凝土的徐变效应减弱，由混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩均逐渐减小，并且对距离梁端80～90 m区域截面的竖向位移影响较大，最大减小量为62.7%；而中跨位置截面弯矩随环境相对湿度的变化较大，最大减小量为10.9%.

图3　相对湿度对混凝土收缩效应的影响 Fig.3　Influence of relative humidity on concrete shrinkage effect (a)混凝土收缩作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土收缩作用对桥梁内力的影响

图4　相对湿度对混凝土徐变效应的影响 Fig.4　Influence of relative humidity on concrete creep effect (a)混凝土徐变作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土徐变作用对桥梁内力的影响

2.2混凝土加载龄期对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响

图5和图6给出了混凝土加载龄期对连续箱梁收缩徐变效应的影响。该桥采用挂篮施工工艺，从混凝土浇筑至预应力张拉一般需经历4～14 d时间，因此，文中选取此时间范围进行混凝土加载龄期对桥梁的受力性能的影响分析。从图5和图6可以看出，当加载龄期由4 d增加至14 d的过程中，混凝土的收缩效应较为显著，而徐变效应不明显。并且混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势，其最大增加量分别为21.1%以及20.7%；而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小，其最大减小量分别为0.37%以及0.15%.

图5　混凝土加载龄期对混凝土收缩效应的影响 Fig.5　Influence of concrete loading age on concrete shrinkage effect (a)混凝土收缩作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土收缩作用对桥梁内力的影响

图6　混凝土加载龄期对混凝土徐变效应的影响 Fig.6　Influence of concrete loading age on concrete creep effect (a)混凝土徐变作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土徐变作用对桥梁内力的影响

图7　桥梁运营时间对混凝土收缩效应的影响 Fig.7　Influence of operation time on concrete shrinkage effect (a)混凝土收缩作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土收缩作用对桥梁内力的影响

图8　桥梁运营时间对混凝土徐变效应的影响 Fig.8　Influence of operation time on concrete creep effect (a)混凝土徐变作用对桥梁竖向位移的影响 (b)混凝土徐变作用对桥梁内力的影响

2.3运营时间对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响

图7和图8给出了桥梁运营时间对连续箱梁收缩徐变效应的影响。从图7和图8可以看出，当桥梁运营时间由300 d增至3 000 d的过程中，混凝土收缩效应不明显，而混凝土的徐变效应显著。其中，混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移逐渐增大，其最大增加量达218%；而截面弯矩基本不变。混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩随运营时间的增加而逐渐增大，并且截面竖向位移在距离主梁梁端约80～90 m附近其变化量较大，截面内力在跨中截面变化量较大，其最大增加幅值分别为2.245 mm，381.0 kN·m.

3结论

1)随着环境相对湿度的增大，混凝土收缩引起的连续梁竖向位移及截面弯矩逐渐减小，并且当环境相对湿度由40%增大至80%的过程中，桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量均为47.9%；混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩均逐渐减小，桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量分别为62.7%，10.9%；

2)当加载龄期由4 d增加至14 d的过程中，混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势，其最大增加量分别为21.1%以及20.7%；而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小，其最大减小量分别为0.37%以及0.15%；

3)当桥梁运营时间由300 d增至3 000 d的过程中，混凝土的收缩作用引起的连续梁竖向位移逐渐增大，其最大增加量达218%；而截面弯矩基本不变；混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩随运营时间的增加而逐渐增大。

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