收縮徐變對鋼管混凝土拱橋力學性能影響分析

凌海明

0 引言

鋼管混凝土組合構件由于混凝土收縮徐變的作用,截面內鋼管與混凝土之間存在應力重分布問題[1-3],所以對于組合截面的超靜定結構,既要進行結構內力重分布分析外,還要進行截面內部的徐變應力重分布分析,系桿拱橋內部為超靜定結構,由于混凝土會產生收縮徐變,而鋼管不會產生收縮徐變,則在同一截面內會發生鋼管與混凝土之間的應力重分布。

1 混凝土收縮徐變對結構內力的影響

現以某鋼管混凝土拱橋的設計圖為計算模型,按照設計的施工順序,對該橋進行施工加載,同時計入混凝土的收縮與徐變的影響。

對于混凝土收縮徐變對結構內力的影響采用平面模型來進行計算。

在程序中對混凝土收縮量的計算是應用以下指數函數計算混凝土任一時刻t收縮量:

其中,εs(∞)為收縮應變終極值;p為收縮應變增長速率。

由于平面計算模型不能考慮橫橋向各號鋼管內混凝土不同時灌注的情況,在計算中作以下的處理:對上弦的四號鋼管內同時灌注混凝土,且在灌注混凝土時也計入混凝土單元的剛度。

1.1 混凝土收縮徐變對結構內力的影響

為研究混凝土收縮徐變對結構的整體內力的影響,列出不計混凝土收縮徐變與計入混凝土收縮徐變,以及成橋初期與1年～4年后等時期的各控制截面的全截面軸力與全截面彎矩,如表1,表2所示。

表1 全截面恒載軸力隨時間變化比較 kN

表2 全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

由表1,表2可知,混凝土收縮徐變對結構全截面軸力基本上無影響,但對全截面彎矩有較大的影響。在成橋初期,對拱腳、L/4、拱頂截面,計入混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩比不計混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩要分別大10%,小13%與大24%。

為更清楚了解混凝土收縮徐變對各控制截面內鋼管與混凝土單元各自內力的影響,將鋼管與混凝土所承受的內力分別進行分析。將不計混凝土收縮徐變與計入混凝土收縮徐變,以及成橋初期與1年～4年后等時期的各控制截面的內力值列出,見表3～表6。

表3 鋼管恒載軸力隨時間變化比較 kN

表4 鋼管全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

表5 混凝土全截面恒載彎矩隨時間變化比較 kN?m

表6 混凝土恒載軸力隨時間變化比較 kN

由表3～表6可知,混凝土收縮徐變對各控制截面鋼管與混凝土單元間的內力重分配有很大影響。成橋初,計入混凝土收縮徐變后鋼管單元所承受的軸力要比不計混凝土收縮徐變的鋼管單元所承受的軸力大22%～28%;而混凝土單元所承受的軸力則相反,計入混凝土收縮徐變后的混凝土單元所承受的軸力要比不計混凝土收縮徐變的混凝土單元所承受的軸力小43%～78%(除拱腳的上弦桿截面外),即表明混凝土收縮徐變使鋼管與混凝土單元所承受的軸力發生了重分布,鋼管單元所承受的軸力增加,混凝土單元所承受的軸力減小。

混凝土收縮徐變對鋼管所承受的軸力影響主要在成橋以后的一年內,一年以后基本趨于穩定;混凝土收縮徐變對混凝土單元所承受的軸力影響主要在成橋后的兩年內,兩年以后基本趨于穩定。

混凝土收縮徐變對全截面恒載彎矩有較大的影響,成橋時,計入混凝土收縮徐變后鋼管單元的彎矩值比不計混凝土收縮徐變的彎矩值大15%～20%,對于拱腳與拱頂截面混凝土單元的彎矩值比不計混凝土收縮徐變的彎矩值分別大1%和61%,混凝土收縮徐變使鋼管單元所承受的彎矩值增大而混凝土單元所承受的彎矩值減小的趨勢。

混凝土收縮徐變對鋼管所承受的彎矩的影響主要在成橋以后的兩年內,兩年以后基本趨于穩定;混凝土收縮徐變對混凝土所承受彎矩影響主要在成橋后的四年內,四年以后基本趨于穩定。

1.2 混凝土收縮徐變對截面應力的影響

混凝土收縮徐變對各控制截面鋼與混凝土之間內力重分布有較大的影響,計入混凝土收縮徐變后,對各控制截面的鋼管與混凝土的應力也有較大的影響。

由表7可知,計入混凝土收縮徐變對鋼管的應力有較大的影響。計入混凝土收縮徐變后,在成橋初各控制截面鋼管的應力增加22%～30%,一年以后,鋼管的應力增加6%左右,以后每年又增加2%左右,計入混凝土收縮徐變后,鋼管應力增加主要集中在成橋后的一年內,一年以后基本趨于穩定。

表7 結構各控制截面的鋼管應力隨時間變化值 MPa

表8 結構各控制截面的混凝土應力隨時間變化值 MPa

由表8可知,計入混凝土收縮徐變后,對于各控制截面成橋初的應力比不計混凝土收縮徐變要減少33%以上,拱頂截面下弦桿的混凝土下緣應力減少131%,其他截面的應力均減少33%～97%。而拱腳截面上弦桿上緣處的混凝土應力在計入混凝土收縮徐變的影響后,由原來的壓應力變為拉應力。在成橋后的兩年內,混凝土的應力基本趨于穩定。

2 結語

1)混凝土收縮徐變對結構體系的全截面軸力基本上無影響,但對結構的全截面彎矩有較大的影響。

在成橋初期,對拱腳、L/4及拱頂截面,計入混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩比不計混凝土收縮徐變影響的全截面彎矩要分別大10%,小13%與大24%。

2)對于各控制截面,混凝土收縮徐變使鋼管與混凝土間的內力與應力發生重分布。

成橋初,混凝土收縮徐變引起鋼管所承受的軸力與全截面彎矩增加 15%～28%,引起混凝土所承受軸力減小43%～78%,引起拱腳與拱頂截面混凝土所承受的全截面彎矩增大1%和61%。混凝土收縮徐變引起鋼管的應力成橋后4年內增加了10%,引起混凝土的應力減小18%～44%左右。

[1]蔡紹懷.鋼管混凝土結構[M].北京:中國建筑科學研究院,1992.

[2]李國平,張哲元.鋼—混凝土組合橋混凝土收縮徐變分析[J].結構工程師,1999(1):34-35.

[3]謝肖禮.鋼管混凝土拱橋收縮徐變對任意截面應力重分布的影響[D].南寧:廣西大學博士論文,2002:6.

[4]王成斌.橋梁加固新老混凝土收縮差分析研究[J].山西建筑,2009,35(10):54-55.