大跨度高铁斜拉桥钢-混结合主梁收缩徐变研究

李铭伟

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

近年来，我国高速铁路建设发展迅速，建设大跨度高速铁路桥梁的技术水平也在不断提高。其中，钢混结合梁斜拉桥以其良好的受力特性及优美的外观特征越来越多地被应用到高速铁路建设中[1-3]。

混凝土收缩徐变是混凝土材料随时间变化所固有的属性，自20世纪初被发现以来，经过了近一个世纪的理论分析与实验研究，其产生机理和计算方法得到不断地发展与完善。R.lan Gilbert等提出了两种用于钢混结合截面徐变的分析方法，一种是采用按龄期调整有效模量法进行徐变行为的描述，另一种是分解混凝土微分本构关系及徐变率的方法[4]；Claudio Amadio等提出简化的按龄期调整有效模量法[5-6]；Tehami等指出，在进行混凝土收缩徐变对钢混组合结构受力性能的影响时，必须充分考虑时间的影响[7]；樊建生等对结合梁收缩徐变效应及混凝土开裂影响进行试验研究[8-9]。钢、混凝土两种材料结合成整体，两者之间互相约束，单一材料变形的改变都会影响到整个结构的受力，发生内力重分布，由于混凝土材料的收缩徐变造成结合梁的附加变形可能会造成预应力损失、混凝土板开裂、变形超过容许值等有害影响，影响结构的安全性、耐久性和正常使用性[10]。因此，研究此种特殊结构的收缩徐变效应有非常重要的意义。

以赣江特大桥为工程背景，建立全桥有限元数值分析模型，对成桥后的赣江特大桥在收缩徐变作用下的受力特性变化进行分析。同时在建模过程中考虑桥面板不同的加载龄期，讨论在不同加载龄期下混凝土收缩徐变对桥梁结构产生的影响。

2 工程概况

赣州赣江特大桥为南昌至赣州高速铁路的控制性工程之一，全桥长2 155.44 m。跨赣江主桥为钢-混凝土混合结合梁双塔斜拉桥，孔跨布置为(35+40+60+300+60+40+35) m，主桥采用塔梁分离的半漂浮结构体系，拉索为双索面布置，索塔处设置竖向带纵向阻尼支座、横向抗风支座，边墩及辅助墩设置竖向支座(一侧为单向滑动，一侧为双向滑动)。主桥全桥立面布置如图1所示。

图1 赣江特大桥主桥立面布置(单位：m)

主梁由混凝土箱梁、钢-混凝土结合梁及两种梁型的过渡段三部分组成，一侧混凝土主梁长155.75 m，边支座中心线至梁端0.75 m，支座横桥向中心距5.0 m，钢-混结合段位于主梁中跨距索塔中心20 m处，一侧过渡段长10 m。边跨混凝土箱梁不仅起到斜拉桥压重的作用，还能很大程度上减小主跨的变形及应力。钢-混凝土结合梁采用箱形结合梁型式，设置弧形风嘴，桥面宽16.3 m，梁高4.475 m(结合梁中心线处)。钢箱梁顶板同桥面板湿接缝之间采用剪力钉结合成整体。钢-混结合梁标准横截面如图2所示。

图2 钢-混结合梁标准横截面(单位：mm)

钢箱梁为开口形式，采用工厂分段预制部件，现场焊接拼装的施工方法。混凝土桥面板全宽16.3 m，桥面板标准厚度30 cm，在钢梁上翼缘附近区域加厚至50 cm。桥面板分为预制板、纵向湿接缝及横向湿接缝三部分。

3 桥面板收缩徐变影响分析

3.1 数值分析模型

混凝土主梁与钢-混凝土结合梁之间的过渡段采用“埋入式+前后承压板式”钢-混凝土接头。整个过渡段段长10 m，其中，包括2 m钢梁埋入节段、5 m刚度过渡节段和3 m顶底板渐变节段。以下重点研究主跨钢-混凝土结合梁的空间受力特性，对过渡段建模时，将5.0 m长简化为混凝土梁截面，将5.0 m长简化为钢-混凝土结合梁截面，依据设计资料对钢-混凝土主梁混合段容重进行修正。

采用软件中施工联合截面模块来对主跨钢-混凝土结合梁截面进行模拟[11]，并采用变截面组考虑主跨不同位置处结合梁截面的变化。

模型采用梁单元模拟桥塔和主梁，采用索单元模拟斜拉索，全桥共建立梁单元408个，索单元96个，节点795个。赣江特大桥主桥有限元模型如图3所示。

图3 主桥全桥有限元模型

斜拉桥主跨钢箱梁选用Q345qD钢材；钢箱梁上混凝土桥面板及混凝土主梁选用C55混凝土；桥塔及塔上横梁均选用C40混凝土；斜拉索选用φ7 mm的热挤聚乙烯镀锌平行钢丝拉索。各部分材料参数如表1所示。

表1 主要结构材料参数

斜拉桥施工共划分了72个施工阶段，每个标准结合梁段的施工流程如下。

①逐次移动吊机至施工位置；

②逐次吊装钢箱梁；

③逐次对应张拉斜拉索；

④逐次施工钢箱梁上桥面板后对应张拉桥面板预应力钢束。

模型中考虑的荷载有自重、预应力、温度荷载、斜拉索张拉力、二期恒载、基础变位、桥面吊机荷载以及ZK活载。

采用正装迭代方法[12]，确定赣江特大桥的合理施工状态索力。其中，初始张拉索力依据本节段施工的梁体重量和吊机重量求得，二次调索索力为正装迭代方法取的首次张拉索力，成桥状态索力经过多次迭代计算后得到。

3.2 收缩徐变计算理论

根据郑纬奇等研究结论，认为采用CEB-FIP90计算理论预测钢混结合梁的收缩徐变精度较高[13-14]，该理论预测混凝土收缩应变的计算公式为

εcs(t，t0)=εcs0βs(t，ts)=εs(fcm)βRHβs(t-ts)

(1)

式中，εcs0为名义收缩系数；εs(fcm)为混凝土强度修正系数；βRH为环境相对湿度修正系数；βs(t-ts)为缩进程函数。

该理论预测混凝土徐变系数的计算公式为

φ(t，τ0)=φ0βc(t，τ0)

(2)

式中，φ0为名义徐变系数，φ0=φRHβ(fcm)β(τ0)·βc(t，τ0);βc(t，τ0)为徐变系数进程系数；φRH为环境相对湿度修正系数；β(fcm)为混凝土强度修正系数；β(τ0)为加载龄期修正系数。

3.3 成桥阶段受力特性分析

斜拉索的水平分力为斜拉桥主梁提供一定的压应力储备，使混凝土优异的抗压性能得到充分发挥。但斜拉索的水平分力同时也会导致主梁混凝土结构徐变效应增长。

图4、图5给出了施工成桥阶段结合梁混凝土桥面板及钢箱梁的受力情况。

图4 混凝土桥面板施工成桥阶段截面应力包络曲线

图5 钢箱梁施工成桥阶段截面应力包络曲线

由图4、图5可以看出，在施工成桥阶段，结合梁桥面板顶底缘均未出现拉应力，顶缘应力为-15.80 MPa，底缘应力为-14.30 MPa(均小于[σb]=18.5 MPa)；钢箱梁顶缘应力为-208 MPa，底缘应力为-74.10 MPa(均小于[σs]=210 MPa)。

图6给出了成桥初期、运营1年、运营3年、运营5年结合梁桥面板及钢箱梁的受力情况。

图6 钢混结合梁运营阶段截面应力随时间变化曲线

由图6可以看出：

①结合梁顶缘σcmin=-10.80 MPa，结合梁底缘的应力σcmin=-65.20 MPa，均小于容许值；

②结合梁顶缘成桥初期到运营5年后应力变化最大值为2.52 MPa，其中，运营1年后的变化占56.7%，运营3年后的变化占76.7%；

③结合梁底缘成桥初期到运营5年后应力变化最大值为-13.1 MPa，其中，运营1年后的变化占50.9%，运营3年后的变化占78.9%。

3.4 桥面板不同加载龄期收缩徐变效应比较

混凝土的加载龄期是影响混凝土徐变效应的一项主要因素[15]，徐变系数增长速率随加载龄期的延长而缩小。赣江特大桥主跨超过300 m，为减小结合梁中混凝土桥面板收缩徐变对桥梁工后变形的影响，需分析其加载龄期参数，为确定预制桥面板的加载龄期提供依据。

加载龄期分别取28 d、60 d、90 d、180 d和270 d。通过这种方式，找出此种钢混结合梁斜拉桥运营5年后主梁挠度以及混凝土桥面板、钢箱梁的应力变化规律。选取主梁跨中截面为研究对象，分析结果如图7所示。

图7 主桥跨中截面挠度及应力变化对比

进一步分析工后变形，即从铺设钢轨后开始至计算期的变形差值，选取主跨跨中截面，结果见表2。

表2 桥面板不同加载龄期对主跨跨中截面工后变形差值影响

由图7及表2可以看出：

①结合梁随桥面板混凝土加载龄期的延长，整个截面的应力重分布程度逐渐减弱。加载龄期越长，结合梁桥面板顶缘压应力越大，钢箱梁底缘应力越小。龄期为180 d和270 d时，结合梁顶底缘应力变化差别较小；

②桥面板混凝土加载龄期越长，铺设钢轨后的结合梁挠度越小，至计算期的工后变形增量也降低。根据我国《高速铁路设计规范》[16]，无砟轨道铺设完成后，桥梁的竖向残余徐变变形不应大于L/5 000且不应大于20 mm，故加载龄期为180 d和270 d时，残余徐变变形可以满足规范要求且两者之间差别较小。

4 结论

(1)在施工成桥阶段，赣江特大桥钢混结合梁桥面板及钢箱梁各截面顶底缘应力均未超过规范规定的容许值，说明主梁在施工成桥阶段的受力状态合理。

(2)在运营阶段，赣江特大桥钢混结合梁桥面板及钢箱梁受力均满足规范要求，结合梁在成桥1年后收缩徐变完成了50%以上，3年后完成了80%左右。

(3)桥面板混凝土的加载龄期越长，结合梁挠度及应力受收缩徐变的影响越小，工后竖向残余徐变变形越小。在大跨度高铁无砟轨道结合梁斜拉桥施工过程中，应将结合梁桥面板预制存放180 d后，再进行吊装，可以有效降低混凝土收缩徐变对此种结构正常使用期间力学行为的影响。