侯帆
(中设设计集团股份有限公司,南京210000)
收缩是混凝土的固有特性,是混凝土中水分的变化、其他物理化学反应等因素所导致的结构体积变化的物理化学现象,是一种与荷载无关的时变行为。徐变跟收缩一样,也是混凝土的固有特性。混凝土结构在荷载作用下,随着时间的增加,结构应力不变但变形不断增加的一种现象。一般徐变早期发展较快、后期较慢,要经历约10a 才基本完成并稳定。徐变的计算方法有效模量法(EMM)、徐变率法(RCM)、弹性徐变理论。流动率法、按龄期调整的有效模量法等经典理论,按龄期调整的有效模量法是在工程中应用最广泛且计算结果较为精确的方法。
根据钢混组合梁桥的材料特性可知,钢结构在允许荷载范围内可认为是弹性材料,而混凝土则是典型的弹塑形材料,其在环境、永久荷载作用下将产生收缩及徐变,伴随产生较大的塑性变形。根据JTG/T D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》简支钢混组合桥梁可以参考规范采用调整钢材与混凝土的长期弹性模量比的方法,按照混凝土收缩徐变系数曲线考虑对结构的综合影响。
如按上述方法计算需满足以下基本假定:(1)钢材处于弹性状态,混凝土桥面板应力低于0.5 倍抗压强度;(2)忽略钢梁与混凝土之间的界面滑移,组合截面符合平截面假定;(3)假定桥面板整个过程未产生开裂。
由工程实例可以发现,钢混组合梁桥面板应力一般均在10MPa 以内,应力水平较低。据研究当混凝土截面应力低于0.5 倍抗压强度时,截面弹性应变与徐变应变均和应力呈线性关系。同时,在满足规范要求的栓钉连接方案前提下,各项假定均可满足。
因此,对于钢混组合梁桥的收缩及徐变效应可以单独计算后予以叠加。由于收缩效应计算与徐变效应基本类似,因此,本文重点研究徐变效应对钢混组合梁的影响。
由于混凝土是弹塑性材料,其结构弹性模量是随着时间变化的,根据杨氏模量法基本原理,计算永久作用组合下的截面几何特性时,混凝土的弹性模量可以近似采用割线模量代替,割线模量又称为等效弹性模量,按照其二者关系有:
式中,着e 为混凝土的弹性应变;着p 为混凝土的塑性应变;Es,Ec为钢材与混凝土的弹性模量。
考虑混凝土徐变的长期钢材与混凝土的长期弹模比琢L的计算按下式计算:
式中,琢L 为长期荷载作用下钢与混凝土弹性模量比;琢E 为短期荷载作用下钢与混凝土弹性模量比;渍(t,t0)为加载龄期为t0,计算龄期为t的混凝土徐变系数(徐变应变/弹性应变);鬃为根据作用类型确定的收缩因子,永久作用取1.1,混凝土收缩作用取0.55。
上述计算方法对于钢混组合梁简支梁桥的徐变效应可以满足精度要求,但对于超静定结构,组合截面的内力是变化的,所以由混凝土徐变产生的附加内力也是变化的,应采用有限元法等更精确的分析方法。在计算钢混组合梁长期应力时,应采用钢材与混凝土的长期模量比值琢L 代替弹性模量的比值琢E 进行计算。
在组合梁弹性分析中,应力验算应满足不同施工阶段的受力要求,同时考虑施工过程的影响。由于钢混组合梁一般用在跨越道路、河道等工期要求较紧的工程中,以发挥其快速施工、降低影响的优势,一般采用钢梁吊装+桥面板施工的方案。
施工阶段:为方便施工,施工时利用钢梁作为施工模板或支架,支撑浇筑混凝土桥面板,本阶段钢梁与混凝土桥面板尚未形成组合截面,钢梁单独承担全部荷载。
成桥阶段:本阶段桥面板已硬化形成强度,此时钢梁与桥面板形成组合截面,共同承担后续施加的荷载。
从施工过程可以看出,在使用阶段荷载的频遇组合效应部分(活载频遇组合)应由组合梁的换算截面承担,荷载的准永久值组合效应由考虑了长期徐变效应的换算截面承担。
由上述分析可知,按照弹性设计方法计算组合梁抗弯承载力时,需要分别按照钢梁、组合截面、考虑徐变效应的组合截面3 组截面特性,进行分别对应与施工阶段、频遇作用、准永久作用进行计算。
根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中关于混凝土徐变计算的规定,对某工程实例项目分别计算了1 个月、6 个月、1~10 年的收缩应变及徐变系数如图1 所示,其中相对湿度75%,桥面板理论厚度0.3m,徐变加载龄期7d。
根据图1 可知,徐变效应一般在10a 后趋于稳定,因此,一般工程计算考虑10a 作为结构徐变效应终止时间。
根据式(2),徐变因子根据不同的作用类型取不同的数值,对于永久作用取1.1,而混凝土收缩取0.55。因组合梁徐变作用效应仅在桥面板施工后产生,由二期恒载及混凝土收缩效应组成,且恒载占比较大,为简化计算,本文徐变因子按照恒载作用类型取1.1 进行计算。此时长期弹模比。
图1 徐变系数随时间变化曲线
图2 给出了组合梁成桥10a 间徐变效应对应力的影响情况,可以看出,钢梁上下缘应力分别增加了10%及5%,混凝土桥面板应力降低了9%。
图2 钢梁及混凝土桥面板应力随时间变化曲线图
由于桥面板混凝土应力水平通常较低,时变效应对其影响较小可以忽略不计。钢梁应力变化幅度较大,必须加以考虑。
上例中考虑成桥及10a 收缩徐变的结构挠度分别为155mm 和189mm,考虑收缩徐变后跨中最大挠度增大了22%,其对桥梁挠度的影响较为明显,不可忽略。应在施工预拱度中予以充分考虑(预拱度),以抵御后期长期变形对结构线性的影响。
由于收缩徐变呈前期增长较快后期发展较为缓慢的特征,不同的材料、施工方法等对其效应发展具有较大影响。
通常在桥面板混凝土中掺入膨胀剂以抵消收缩徐变对结构带来的不利影响,其中UEA 膨胀剂由于性能稳定、价格合理,是目前应用最为广泛的产品,习惯上将掺有UEA 的混凝土称之为补偿收缩混凝土,掺量在8%~12%(质量比),当作为局部填充是可增加到15%。
在混凝土中掺入乱向分布的短纤维(钢纤维、聚丙烯纤维等)形成一种复合材料,纤维材料能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展,提高混凝土抗拉压强度的同时减低收缩变形。根据研究表明,当钢纤维体积率1%~2%时,比普通混凝土抗拉强度提高40%~80%,收缩变形降低10%;掺入0.3~0.9kg/m3的聚丙烯纤维混凝土收缩率可比普通混凝土减少8%~15%[1]。
在结构设计中,通常为了降低收缩徐变的影响,将现浇桥面板改为预制桥面板,缩短工期的同时,降低混凝土的收缩徐变变形,而湿接缝位置采用高强补偿收缩混凝土降低收缩徐变效应。预制桥面板方案通过提前预制、存梁、吊装,在提高施工速度的同时,以降低收缩徐变对结构产生的不利影响。因此,JTG/T D64-01—2015《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》中建议存梁期6 个月以上。对于现浇施工的桥面板,施工期间保证良好的养护环境对降低收缩效应有益。由于徐变效应与结构应力水平有关,对无临时支撑的施工方案,绝大部分恒载有钢梁承担,桥面板应力水平较低,这样也大大降低了徐变的不利影响。