收缩徐变对拼宽桥梁影响的数值分析

林天然，王晓军，柴春峰，黄声涛

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

收缩徐变对拼宽桥梁影响的数值分析

林天然，王晓军，柴春峰，黄声涛

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

由于混凝土收缩徐变的影响因素众多，且具有高度复杂性，为研究收缩徐变对拼宽桥梁的影响，以珠江路上的某小箱梁拼宽桥为研究背景，建立了空间梁格有限元模型。并从不同拼接方式、不同拼接时机来模拟收缩徐变对新老桥的受力影响。结果表明：收缩徐变作用下，靠近拼接处的新旧梁所受的内力最大，往两边依次减小，且随着搁置时间的延长，收缩徐变效应在减弱，可为类似扩宽桥梁对于拼接方式及时机的选择从受力角度提供借鉴。

拼宽桥梁；收缩徐变；拼接方式；拼接时机；受力分析

0 引言

对于拓宽桥梁，旧桥形成时间较长，旧桥结构的收缩徐变变形已基本完成，而新桥由于混凝土自身材料特性及受力影响，其收缩徐变才刚开始，当新旧混凝土粘结在一起时，由于旧混凝土的收缩徐变变形比新混凝土变形要小，而旧桥对新桥的约束会导致拼接后整体梁内部产生附加内力，这样就会对新混凝土的收缩徐变变形产生约束，从而在连接面中产生附加内力[1-3]。若附加内力过大，超出连接面的抵抗力，连接面上将出现裂缝，进而导致结构破坏影响到桥梁的安全使用。为了保证拓宽桥梁使用的安全性、耐久性，需掌握不同拼接方式及不同拼接时机下收缩徐变对新旧拼接桥梁的受力与变形的影响。

实际桥梁拼宽中，主要有3种形式：新旧桥上、下部结构连接；上、下部结构不连接；上部结构连接，下部结构不连接。第一种形式将新旧桥的上下部结构都进行了连接，可以提升新旧桥的整体性，最大程度降低连接处的形变。但是，上下部结构都进行连接，由于新桥的沉降还不稳定，可能导致桥体内力变大，导致新旧桥的连接处出现裂缝，影响拓宽质量。第二种形式实现了新旧桥上下部结构的分离，提升了新旧桥的独立性，避免了新旧桥之间各种力的相互作用，也切实避免了新桥沉降不稳定可能引起的问题。不仅如此，上下部结构不进行连接，可以大幅降低施工量和施工难度。但是，新旧桥上下部结构不进行连接，在活载作用下，新旧桥主梁挠度会出现差异，加之两桥沉降也存在不同，很有可能导致连接处铺装层受损，影响整桥性能和行车安全。第三种形式仅仅连接了上部，下部未进行连接。连接上部、分离下部，可以减小上部结构对下部结构产生的影响。但是，收缩徐变会导致上部结构内力增加，可能导致质量问题，影响行车安全[4-7]。

2 有限元建模过程简介

本文以乌鲁木齐市珠江路改扩建工程中一座简支小箱梁桥为研究对象，采用MIDAS Civil来模拟新老桥小箱梁的施工及接缝处理。采用梁单元来模拟小箱梁，老桥共有7片小箱梁，两边新桥为各3片小箱梁，共13片小箱梁，湿接缝的连接采用虚拟横梁来处理，全桥共429个节点，688个梁单元，全桥梁格有限元模型见图1，平面简图见图2。

图1 空间梁格有限元模型

2 不同拼接方式影响分析

如果新旧桥上下部结构无连接时，则新桥由收缩徐变引起的纵向变形可自由收缩，即不会受到旧桥的约束影响，则由收缩徐变引起的内力可忽略，故就不对其进行受力分析。当仅上部拼接为刚接（下同）时，由于新桥的变形会受到约束，势必会在结构中产生附加内力。由图3～图6可以看出，在接缝搁置时间为0 d，在全桥运营10 a之后，由混凝土收缩徐变效应引起的混凝土轴力具有跨中大支点处小的特点；新梁（8号梁、9号梁）与旧梁（6号梁、7号梁）的轴力方向相反，这是由于新梁的混凝土收缩受到边梁的约束作用，使得两者轴力方向相反。

图2 空间梁格平面简图

图3 7号梁轴力（单位：kN）

图4 6号梁轴力（单位：kN）

图5 8号梁轴力（单位：kN）

图6 9号梁轴力（单位：kN）

图7 新桥横桥向弯矩（单位：kN·m）

在新旧梁拼接处的主梁的轴力明显大于其他片主梁的轴力，在旧梁部分，拼接部位7号梁的轴力最大为-1 234.7 kN，而6号梁的轴力为-125.6 kN；在新梁部分，拼接部位8号梁的最大轴力为1218.2kN，而9号梁的最大轴力为201.7 kN。这说明新旧梁由于混凝土收缩徐变差异产生的轴力主要由连接处的主梁承担。

对于杆系结构，一般情况下，对结构的受力及变形分析只需关注纵桥向及竖向的响应，但拼宽桥梁由于混凝土收缩徐变导致的新梁纵向缩短变形受到旧梁的约束，整体结构会发生平面弯曲变形。这种平面变形如果过大，会导致旧桥支座横桥向位移过大，发生剪切破坏，在此变形情况下，拼接部位会产生一个较大的横向弯矩，也会导致混凝土的开裂，降低拓宽后桥梁的耐久性和适用性。因此有必要对在收缩徐变作用下新旧桥的横桥向弯矩进行分析，以模拟结构的实际受力。

由图7、图8可知，在全桥运营10 a之后，由混凝土收缩效应引起的混凝土横向弯矩在1/4跨处达到最大，并且在接缝处7、8号梁达到最大，方向相同，往两边依次减小，新桥部分，8号梁横桥向弯矩最大值为289 kN·m，10号梁横桥向弯矩最大值为88 kN·m；老桥部分，7号梁横桥向弯矩最大值为338 kN·m，4号梁横桥向弯矩均为0 kN·m，这说明新旧梁由于混凝土收缩徐变差异产生的横桥向弯矩主要由连接处的主梁承担。

图8 旧桥横桥向弯矩（单位：kN·m）

3 不同拼接的影响分析

混凝土的收缩应变有前期发展快，后期发展慢的特点，常用的收缩徐变预测模型计算公式均体现了这一点。为比较收缩徐变下不同拼接时机对新旧桥内力的影响，把接缝设置成湿接，拼接时间分别为0 d、1个月、3个月、0.5 a、1 a、3 a及10 a，由上节分析可知，靠近拼接缝的箱梁受力最大，故只对旧桥7、新桥8号梁的轴力、横向弯矩及竖向弯矩进行对比分析。表1及图9～图11为收缩徐变作用下7、8号梁的计算对比。从图表中可以看出，随着拼接时间的延长，新旧梁的内力均会减小，且各项收缩效应减少的幅度一样，这是因为我们建模分析时假定结构为线弹性结构，收缩效应的大小仅取决于新旧梁拼接完成到计算时间这一段时间内的收缩差。

表1 不同拼接时间收缩效应比较

图9 收缩效应下轴力对比（单位：kN）

图10 收缩效应下横向弯矩对比（单位：kN·m）

图11 收缩效应下竖向弯矩对比（单位：kN·m）

与新梁建造完成后直接与旧梁拼接相比，搁置90 d、180 d、365 d再与新梁拼接的各种收缩徐变效应分别降低约12.4%、22.0%、36.4%，且随着拼接时间的增长，减小的速度变缓，这是因为混凝土收缩、徐变应变的发展规律特性决定的，新梁浇筑完成后，前期收缩徐变量大，随着时间的增长，增长速度减缓，此时再延长拼接时间，对减小收缩徐变效应的作用会变小。然而延长拼接时间会对工期造成影响，提高工程成本，因此在实际桥梁拼宽工程中，我们要合理安排工序，综合考虑各方面因素，确定合理的拼接时间，以达到最平衡的实际效果。

4 结 语

本文以珠江路改扩建工程中的一座简支小箱梁桥为例，在拼宽桥中考虑收缩徐变效应的影响，建立空间梁格有限元模型进行分析，得到了以下结论：（1）通过不同拼接方式的影响分析，可以发现收缩徐变作用下新旧梁受力的一些发展规律：由混凝土收缩徐变效应引起的混凝土轴力具有跨中大支点处小的特点，且新旧梁的轴力方向相反；在新旧梁拼接处的主梁的轴力明显大于其他片主梁的轴力，即新旧梁由于混凝土收缩徐变差异产生的轴力主要由连接处的主梁承担；而对于弯矩，由收缩徐变效应引起的横桥向弯矩在1/4跨处达到最大，且新旧梁的弯矩方向相同；

（2）通过不同拼接时间的选择，通过计算表明，延长新、旧主梁的拼接时间可以减小新、旧主梁的收缩徐变差异，从而减小收缩徐变引起的效应。与新梁建造完成后直接与旧梁拼接相比，搁置90 d、180 d、365 d再与新梁拼接的各种收缩徐变效应分别降低约12.4%、22.0%、36.4%，且随着拼接时间的增长，减小的速度变缓。因此，要结合工程实际情况，综合考虑工期、工程造价等其他因素，确定合理的新梁拼接时间，以达到最佳的综合效果。

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U445.6

B

1009-7716（2017）03-0121-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.033

2016-12-12

林天然（1989-），男，浙江温州人，工程师，从事桥梁设计工作。