钢混组合梁徐变效应影响的探讨

孔令熙

（同济大学，上海市200092）

0 引 言

钢混组合梁结构是一种采用剪力键将钢结构与钢筋混凝土结构结合成组合截面共同工作的一种复合式结构，其具有钢结构和混凝土结构各自优点。组合梁结构中最常使用的是简支结构形式，因为简支梁的受力体系为上缘受压、下缘受拉，最符合组合梁材料分布的合理原则，可以充分发挥钢材和混凝土良好的力学性能。在桥梁工程蓬勃发展的今天，组合梁结构依靠其受力合理、施工便捷，已大量应用于实际工程建设中。

混凝土的徐变是混凝土材料本身固有的特性，当混凝土在一定的温度、湿度、荷载作用下，随着时间的逐渐增加，混凝土的应变不断增长的现象。由于钢材相对于混凝土来说，徐变效应量级较小，可以忽略不计，但钢结构通过剪力键抵抗混凝土的变形，使得混凝土结构中的应力变化向钢结构转移，从而使得组合结构内部的应力重分布[1，2]。本文将从混凝土结构徐变的基本理论出发，结合工程实例，建立有限元模型，探讨钢混组合梁的徐变效应中几种影响因素的变化规律，从而提高钢混组合梁的使用效率。

1 徐变描述

混凝土发生徐变通常采用徐变系数、徐变度和徐变函数三种方式表示。

（1）徐变系数

徐变系数表示对于在时刻t0施加初应力σc（t0）至t时刻的混凝土的徐变变形与瞬时弹性变形的比值：

根据弹性变形方程，混凝土的应力应变关系为：

式中：σc（t0）为龄期t0加载时的应力，MPa；Ec（t0）为龄期t0加载时混凝土的弹性模量，MPa。

因此，徐变系数可表达为：

（2）徐变度

徐变度表示单位应力作用下的徐变变形：

（3）徐变函数

徐变函数表示单位应力作用下混凝土弹性应变和徐变应变之和：

2 工程实例分析

（1）工程概况

成山路小腰泾桥采用的是工字形钢板梁与混凝土桥面板结合的钢混组合梁，其特点为低梁高多工字梁组合梁，如图1所示。

图1 成山路小腰泾桥横断面布置（单位：mm）

主桥跨径36m，桥梁宽度26.5m，结构总高度为1.3m，高跨比为1/32.7。

建立的有限元模型如图2所示。

图2 成山路小腰泾桥Midas 梁格计算模型

在计算时，纵梁单元选用联合截面模拟钢混组合结构受力，架梁后进行现浇段和端横梁混凝土浇筑，按实际施工步骤进行施工阶段模拟，具体施工阶段见表1。

表1 施工阶段划分表

在成桥10 a后，桥面板混凝土收缩徐变基本完成，收缩徐变产生的效应不再变化。

（2）对应力结果影响分析

通过对比不计收缩徐变状态下的组合梁工字钢应力与计入收缩徐变10a后的应力情况，结果如图3～图6所示：

图3 组合梁工字梁上缘应力结果（单位：MPa）

图4 组合梁工字梁下缘应力结果（单位：MPa）

图5 组合梁混凝土板上缘应力结果（单位：MPa）

图6 组合梁混凝土板下缘应力结果（单位：MPa）

通过对比图可知，直观地体现了组合结构在混凝土收缩徐变10 a后与成桥状态时的应力变化。在仅考虑混凝土徐变作用下，跨中截面钢梁上缘压应力增加约5 MPa；钢梁下缘拉应力增加约2 MPa；混凝土上缘拉应力增加约1.1 MPa；混凝土下缘拉应力增加约0.3MPa。徐变效应对组合结构的主要变化量发生在跨中截面的钢梁压应力增加和混凝土板的压应力增加，尤其是混凝土桥面板拉应力增加，这在结构设计中应当予以重视。

（3）对挠度结果影响分析

通过对比不计收缩徐变状态下的组合梁挠度与计入收缩徐变10 a后的挠度情况，结果如图7所示：

通过对比图可知，直观地体现了组合结构在混凝土收缩徐变10 a后与成桥状态时的结构挠度变化。在仅考虑混凝土徐变作用下，跨中截面挠度增加约5 mm，当考虑混凝土收缩徐变共同作用下，挠度增加约24mm。由于该工程桥面板采用的是现浇混凝土的施工工艺，收缩效应的影响较为显著。若采取预制桥面板的施工方法，则收缩影响将会显著减小，而徐变效应的影响将会变得明显。

图7 组合梁挠度结果（单位：mm）

（4）小结

混凝土的收缩徐变效应对钢混组合梁桥的影响不容忽视，混凝土徐变效应在简支组合梁结构跨中截面混凝土上缘将会产生拉应力，也进一步证明了混凝土桥面板中钢筋的设计将会决定混凝土的抗裂能力。

3 参数敏感性分析

由于混凝土收缩徐变的影响因素较多，变化规律较为复杂，而且钢和混凝土的材料性质存在差异，各种影响因素下，徐变效应的敏感性也均不同[3]。

为了得出影响因素及对徐变效应影响的规律特点，故选取不同的影响因素，通过拟定的有限元模型（40m工字形钢板梁与混凝土桥面板结合的钢混组合梁，组合梁高1.5m），来进行分析与比较。

3.1 混凝土的强度

分别对组合结构混凝土桥面板强度定义为C30、C35、C40、C45、C50、C60进行计算，结果图8、图9所示。

图9 不同混凝土强度组合梁恒载+徐变挠度结果（单位：mm）

通过对比图可知，混凝土C30～C50的组合结构挠度结果较为接近，C60挠度明显减小；组合梁桥面板上缘压应力在混凝土C60时明显增大约0.6MPa。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的附录C.2.2中对于强度等级C50及以上混凝土，混凝土名义徐变系数0需乘以混凝土材料系数。

小结：随着混凝土标号的增加，混凝土板上缘压应力及组合梁挠度变化不大，但高标号混凝土徐变变形小。

3.2 混凝土桥面板的理论厚度[4]

分别对组合结构混凝土桥面板理论厚度计算中的U构件与大气接触的周边长度定义为（1）整个桥面板外表面周长，则h1=181.8mm；（2）按扣除与混凝土桥面板接触的工字梁上翼缘宽度的外表面周长，则h2=205.1mm；（3）按扣除与沥青铺装接触及混凝土桥面板接触的工字梁上翼缘宽度的外表面周长，则h3=421.1mm；结果如图10～图12所示。

通过对比图可知，随着混凝土桥面板理论厚度的增加，组合梁挠度相应减小，混凝土桥面板上下缘压应力也相应增加，但混凝土的收缩效应更为显著。

图11 不同混凝土桥面板的理论厚度组合梁跨中混凝土板下缘应力结果（单位：MPa）

小结：通过对U构件与大气接触的周边长度的定义不同可见，在设计时，构件与大气接触的周边长度的取值应当整个桥面板外表面周长则计算结果偏保守。

3.3 混凝土的龄期

分别对组合结构混凝土龄期定义为3 d、28 d、60 d、120 d、180 d、360 d进行计算，结果如图13、图14所示。

图14 不同混凝土龄期组合梁恒载+徐变挠度结果（单位：mm）

通过对比图可知，随着浇筑的混凝土龄期的增加，组合梁结构的挠度变形在减小，混凝土桥面板上缘压应力相应增加，混凝土徐变效应下360 d龄期较3 d龄期组合梁混凝土板上缘拉应力减小1.1MPa。根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）的6.2.4，预制板安装前宜存放6个月以上可知，龄期较长的混凝土在与钢结构结合后，最终的组合结构挠度增加量会减小。

小结：在工程允许的情况下，尽可能采用预制混凝土桥面板，混凝土的收缩徐变对结构的影响较小。若采用现浇的形式。挠度初期增长快，后期挠度逐渐趋于稳定，尽可能在1个月后再拆模较好。

3.4 环境年平均湿度[5]

分别对环境年平均湿度定义为50%、60%、70%、80%、90%进行计算，结果如图15、图16所示。

通过对比图可知，随着环境年平均湿度的增加，组合梁挠度相应减小，混凝土桥面板上缘压应力也相应增加，环境年平均湿度较大地区混凝土桥面板上缘拉应力将显著减小。

小结：环境年平均湿度增加，桥面板上缘拉应力减小，混凝土桥面板不易开裂。在湿度较低的区域施工时，应当做好混凝土养护避免混凝土开裂。

3.5 抗剪连接件的抗剪刚度[6]

分别对组合结构抗剪连接件的抗剪刚度定义为原抗剪刚度的40%、55%、70%、85%、100%进行计算，结果如图17所示。

图17 不同混凝土强度组合梁恒载+徐变挠度结果（单位：mm）

通过对比图可知，随着抗剪刚度的增加，组合梁挠度相应减小。当由于抗剪刚度过小，截面产生滑移的趋势时，徐变效应对于组合梁挠度影响更为明显。

小结：当剪力连接件的设计满足规范要求时，忽略混凝土桥面板与钢结构之间的相对滑移是可行的。

4 结论

随着混凝土标号的增加，混凝土板上缘压应力及组合梁挠度变化不大，但高标号混凝土徐变变形小。构件与大气接触的周边长度的取值应当整个桥面板外表面周长则计算结果偏保守。在工程允许的情况下，尽可能采用预制混凝土桥面板，混凝的收缩徐变对结构的影响较小。若采用现浇的形式。挠度初期增长快，后期挠度逐渐趋于稳定，尽可能在1个月后再拆模较好。环境年平均湿度增加，桥面板上缘拉应力减小，混凝土桥面板不易开裂。在湿度较低的区域施工时，应当做好混凝土养护避免混凝土开裂。当剪力连接件的设计满足规范要求时，忽略混凝土桥面板与钢结构之间的相对滑移是可行的。

5 结 语

钢混组合梁的徐变效应在本文研究时，尚存以下问题需做进一步探究：

（1）本文仅考虑简支钢混组合结构，并未考虑连续梁结构体系的影响；

（2）在拟定有限元模型进行参数敏感性分析时，并未考虑剪力滞效应。