某连续梁桥运营期收缩徐变的影响分析

段传武

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550000）

0 引言

桥梁建设中采用的混凝土属于一种黏弹性材料，收缩徐变效应是其本身固有的特性。收缩是混凝土在空气中凝固时发生的体积慢慢缩小的一种现象，是在非应力状态下产生的，是一种和应力无关的自发的变形。而徐变是指混凝土构件在长期不变的荷载作用下，应变随着时间的增长具有持续增长的特性。徐变变形是在持续荷载作用下发生的，即由应力引起的。混凝土收缩徐变的影响因素主要为混凝土自身因素（水泥用量、水灰比、骨料性质等）、环境因素（相对空气湿度、环境温度、养护条件等）及混凝土受力情况（混凝土的加载龄期、持荷时间、应力大小等）[1-2]。对于桥梁结构来说，混凝土收缩徐变形成的主要影响包括：导致结构产生预应力损失；导致桥梁主梁挠度增大；导致超静定结构内力重分布；导致桥梁结构外表面产生局部裂缝等。

1 有限元模型的建立

以某四跨一联连续梁桥为实际工程背景，根据设计施工步骤，利用有限元软件Midas Civil 建立了全桥模型，如图1 所示。该桥梁有限元模型主要包括桥墩、主梁、预应力钢束，全桥共分116 个单元，122 个节点。该文采用梁单元模拟，对节段拼装连续梁桥运营阶段的收缩徐变效应进行理论分析。

图1 迈达斯有限元模型

2 运营期收缩徐变对结构变形的影响

2.1 收缩徐变对主梁挠度的影响

计算得到在成桥时及成桥后1 年、3 年、10 年由收缩徐变引起的主梁挠度值如表1 所示。挠度以向上为正，向下为负。

表1 由收缩徐变产生的跨中挠度 /mm

由表1 数据可以看出：

（1）在收缩徐变作用下，主梁各跨均产生向上的挠度。在桥梁运营期，随着时间的增加，由收缩徐变产生的主梁挠度逐渐增加。边跨在成桥时跨中挠度为11.2 mm，成桥三年时为19.0 mm，增加了7.8 mm；成桥十年时为21.4 mm，增加了10.2 mm，成桥十年时是成桥时的1.8 倍。中跨在成桥时跨中挠度为7.3 mm，成桥三年时为14.1 mm，增加了6.8 mm；成桥十年时为15.6 mm，增加了8.3 mm，成桥十年时是成桥时的2.2 倍。由此可见收缩徐变对于连续梁桥的主梁变形影响较大，在设计和施工都必须充分考虑，并正确设置预拱度[3-4]。

（2）同时还可以看出，收缩徐变的影响值在前三年的增长速率最快，从成桥三年到成桥十年之间，收缩徐变的影响值变化幅度较小，即收缩徐变主要发生在前三年。

2.2 收缩徐变对墩顶位移的影响

计算得到在成桥时及成桥后1 年、3 年、10 年由收缩徐变引起的1 号墩、2 号墩、3 号墩墩顶位移值如表2所示。水平位移以向右为正，向左为负。

表2 由收缩徐变产生的墩顶位移 /mm

由表2 数据可知：

边墩、次边墩墩顶在混凝土收缩徐变的作用下向中墩偏移。随着时间的增加，由收缩徐变产生的墩顶位移量逐渐增加。边墩在成桥时墩顶位移为4.7 mm，成桥三年时为13.1 mm，增加了8.4 mm；成桥十年时为16.0 mm，增加了11.3 mm，成桥十年时是成桥时的3.4 倍。次边墩在成桥时墩顶位移为4.4 mm，成桥三年时为9.2 mm，增加了4.8 mm；成桥十年时为10.7 mm，增加了6.3 mm，成桥十年时是成桥时的2.4 倍。同样也能看出收缩徐变主要发生在前三年，因此混凝土的收缩徐变对于连续梁桥的墩顶位移影响也较大[5-6]。

3 运营期收缩徐变对结构内力的影响

3.1 收缩徐变对主梁内力的影响

3.1.1 主梁弯矩

计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的弯矩值如表3 所示。1号墩墩顶梁段单元号为1、2，第一跨跨中单元号为11，2 号墩墩顶梁段单元号为21、22，第二跨跨中单元号为32，3 号墩墩顶梁段单元号为43、44，第三跨跨中单元号为55，4 号墩墩顶梁段单元号为65、66，第四跨跨中单元号为77，5 号墩墩顶梁段单元号为85、86。

表3 主梁控制截面弯矩值 /kN·m

由表3 数据可以看出：

（1）在成桥后四个不同阶段，由混凝土的收缩徐变产生的主梁弯矩整体分布是相似的，而且各个阶段主梁弯矩均为正弯矩。

（2）从成桥到成桥十年，主梁各控制截面由混凝土收缩徐变产生的弯矩值都是随着时间递增的。成桥十年时主梁由收缩徐变产生的最大弯矩为5 260.8 kN·m，出现在两个次边墩墩顶截面处。由此可以看出混凝土的收缩徐变对连续梁桥的主梁弯矩影响较大。

3.1.2 主梁轴力

计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的轴力值如表4 所示。轴力以拉力为正，压力为负。

表4 主梁控制截面轴力值 /kN

由表4 数据可以看出：

（1）在四个不同的阶段，由收缩徐变产生的主梁轴力整体分布是相似的，边跨的轴力值都小于中跨的轴力值，而且各阶段主梁轴力均为正值，即都为轴压力。

（2）从成桥到成桥十年，边跨、中跨由收缩徐变产生的轴力值都是随着时间递增的。成桥时边跨轴力值为110.0 kN，成桥三年时为295.1 kN，增加了185.1 kN；成桥十年时为370.2 kN，增加了260.2 kN，成桥十年时是成桥时的3.4 倍。中跨在成桥时墩顶位移为230.4 kN，成桥三年时为633.7 kN，增加了403.3 kN；成桥十年时为827.8 kN，增加了597.4 kN，成桥十年时是成桥时的3.6倍。可以看出收缩徐变对于连续梁桥的主梁轴力影响较大[7-8]。

3.2 收缩徐变对桥墩内力的影响

（1）墩顶弯矩，计算得到由收缩徐变产生的墩顶弯矩如表5 所示。

表5 由收缩徐变产生的墩顶弯矩 /(kN·m)

由表5 数据可知：

在桥梁运营期间，随着时间的增加，各桥墩由混凝土的收缩徐变产生的墩顶弯矩都逐渐增加。成桥十年时边墩墩顶弯矩是成桥时的3.3 倍。成桥十年时次边墩墩顶弯矩是成桥时的3.9 倍。可见收缩徐变对于连续梁桥各墩墩顶弯矩的影响较大，且对次边墩墩顶弯矩的影响最为明显。

（2）墩顶剪力。计算得到由收缩徐变产生的墩顶剪力如表6 所示。

表6 由收缩徐变产生的墩顶剪力 /kN

由表6 数据可知：

在桥梁运营期间，随着时间的增加，各桥墩由收缩徐变产生的墩顶剪力都逐渐增加。成桥十年时边墩墩顶剪力是成桥时的3.4 倍。成桥十年时次边墩墩顶剪力是成桥时的3.8 倍。可见收缩徐变对于连续梁桥各墩墩顶剪力的影响也较大，且对次边墩墩顶剪力的影响最为明显。同时由上述的几个倍数可以看出，收缩徐变对桥墩墩顶弯矩、墩顶剪力的影响程度基本相同。

4 运营期收缩徐变对结构应力的影响

计算得到主梁各控制截面在成桥、成桥一年、成桥三年、成桥十年由收缩徐变产生的主梁上、下缘应力如表7~8 所示。

表7 各主梁主要截面上缘应力 /MPa

表8 各主梁主要截面下缘应力 /MPa

由表7~8 主梁上、下缘应力计算结果，可以得出如下结论：

在桥梁运营期间，由收缩徐变产生的主梁上缘应力为压应力，主梁下缘应力为拉应力，而且随着时间的增加，由收缩徐变产生的主梁上缘压应力、下缘拉应力都逐渐增加，也就是说混凝土的收缩徐变会使得主梁的上缘压应力随时间增长不断地增大，下缘压应力随时间增长不断地减小[9]。

5 结语

该文分析了收缩徐变对节段预制拼装连续梁桥内力、变形的影响，可以看出，混凝土的收缩徐变对于预制节段拼装连续梁桥的内力、变形影响较大，在桥梁设计和施工阶段都必须充分考虑，并合理地设置预拱度。同时还可以看出，收缩徐变主要发生在成桥之后的前三年。混凝土收缩徐变对超静定连续梁桥的影响从桥梁的施工阶段一直持续到运营阶段，因此收缩徐变是混凝土连续梁桥建设过程中必须高度重视的一个问题，应当在设计、施工过程中采取相应的方法和措施来减小收缩徐变的不利影响，以保证桥梁结构的正常使用。在该文的建模计算过程中没有考虑所配置的普通钢筋的影响。当前，有关普通钢筋对混凝土收缩徐变影响的研究还不够深入，今后有必要加强构件配筋对混凝土收缩徐变影响的研究。