混凝土收縮徐變效應對矮塔斜拉橋結構的影響分析

韓 鋒

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

混凝土材料作為一種黏彈性材料具有一定的時效特性，它突出的表現為混凝土的收縮徐變效應。收縮徐變效應是混凝土材料本身所固有的性能，會導致混凝土結構的內力和變形隨時間的推移不斷變化，這對持續受壓的超靜定結構——矮塔斜拉橋的影響更為突出。矮塔斜拉橋就結構而言，是梁、索、塔協同作用，拉索分擔部分荷載，主梁承擔大部分荷載，這使得矮塔斜拉橋主梁的受力狀態更為復雜，對于這種持續受壓的超靜定結構，收縮徐變的研究更加重要[1]。

本文以一座四塔單索面矮塔斜拉橋為工程依托，從環境年平均相對濕度、加載齡期和運營時間上探討了混凝土收縮徐變效應對主梁的影響；采用4種不同規范對比分析了收縮徐變效應對索力的影響，得出了收縮徐變效應對該類橋型受力性能的影響規律，為以后同類橋型的設計提供參考。

1 項目背景

主橋采用（116+3×210+116）m四塔單索面矮塔斜拉橋，結構離散圖如圖1所示。主梁采用變截面預應力混凝土箱梁，單箱三室斷面，主橋采用分幅形式，單幅橋寬17.95 m。箱梁采用斜腹板，且沿縱橋向斜腹板高度不變。主梁支點梁高7.0 m，跨中梁高4.0 m。索塔采用三柱式塔，矩形截面；邊塔柱采用單排索，中塔柱采用雙排索；塔高27 m，縱橋向上段15 m采用拋物線變化，下段12 m為等截面。拉索采用三柱式四索面形式，索面內拉索呈密索扇形布置，每個邊塔上布置14對拉索，中塔上布置28對拉索。主橋墩為薄壁式墩，墩塔梁采用固結形式。

圖1 四塔單索面矮塔斜拉橋結構離散圖

2 混凝土收縮徐變對主梁的影響分析

2.1 環境年平均相對濕度對主梁收縮徐變的影響

考慮環境年平均相對濕度對矮塔斜拉橋收縮效應的影響，采用Midas 2010對結構進行空間有限元分析，由于結構及荷載的對稱性，本文只給出一半的計算結果，限于篇幅，徐變對主梁彎矩的影響僅給出對邊跨影響曲線，如圖2～圖5所示[2]。

圖2 收縮效應對主梁位移的影響

由圖2和圖3可以看出，隨著環境年平均相對濕度的增大，混凝土的收縮效應減弱，混凝土收縮引起的主梁豎向位移及截面縱向彎矩均逐漸減小，并且次中跨跨中位置的豎向位移變化量最大，當環境年平均相對濕度由50%增大至80%的過程中，橋梁豎向位移的最大減小量為44.2%；墩梁固結處負彎矩和次中跨跨中正彎矩變化量相當，最大減小量均為44.3%。在邊跨合龍段和中跨合龍段處位移、彎矩值明顯偏小，這是由于合龍段是最后澆筑的，相比其他梁段，收縮效應剛開始，收縮產生的應力也較小；在墩梁固結處彎矩值最大，這是由于在該處主梁受到了外部約束效應，對收縮的約束較強，因此會有較大的次內力值來代替收縮的效應效果，假想約束完全自由，主梁的收縮效應會體現為形狀和位移的變化，而內力則不會受到影響[2]。

圖3 收縮效應對主梁彎矩的影響

圖4 徐變效應對主梁位移的影響

圖5 徐變效應對邊跨主梁彎矩的影響

由圖4和圖5可以看出當環境年平均相對濕度由50%增大至80%的過程中，混凝土的徐變效應減弱，由混凝土徐變效應引起的主梁豎向位移與截面彎矩均逐漸減小，并且中跨跨中截面的豎向位移影響最大，最大減小量為19.7%；隨著環境年平均相對濕度的變化較大，邊跨負彎矩最大減小量為23.4%；次中跨負彎矩最大減小量為22.3%；中跨負彎矩最大減小量為22.8%，均發生在塔根部截面處。在墩梁固結處彎矩值較大，這是因為在該處主梁節段承受最大的受壓效應，而受壓促進了徐變的發展[2]。

2.2 混凝土加載齡期對主梁收縮徐變的影響

圖6～圖9給出了混凝土加載齡期對矮塔斜拉橋收縮徐變效應的影響。從澆注混凝土到張拉預應力的過程一般要經歷3～12 d的時間。本文選取此時間范圍進行混凝土加載齡期對橋梁的受力性能的影響分析。

圖6 收縮效應對主梁位移的影響

圖7 收縮效應對主梁彎矩的影響

圖8 徐變效應對主梁位移的影響

圖9 徐變效應對邊跨主梁彎矩的影響

從圖6～圖9可以看出，當加載齡期由3 d增加到12 d的過程中，混凝土的收縮效應和徐變效應對主梁的豎向位移、邊跨彎矩的影響曲線基本重合，由收縮效應和徐變效應引起的主梁豎向位移與主梁彎矩的變化幅度與絕對值變化不明顯，量值上趨于穩定，可以忽略其影響。

2.3 運營時間對主梁收縮徐變效應的影響

圖10～圖13給出了橋梁運營時間對矮塔斜拉橋收縮徐變效應的影響。分析時，僅改變橋梁運營時間，環境年平均相對濕度取60%，混凝土加載齡期取為7 d。

圖10 收縮效應對主梁位移的影響

圖11 收縮效應對主梁彎矩的影響

從圖10～圖11可以看出，運營時間的變化對矮塔斜拉橋次中跨跨中豎向位移的影響最大，主梁豎向位移值隨著運營時間的增大而增大，橋梁運營時間由300 d增至1000 d的過程中影響不明顯，由1000 d增至3600 d的過程中，次中跨跨中位移增大了約2倍；主梁的彎矩方面也有類似的結果，運營時間的變化對塔根處彎矩的影響最大，1000 d以內基本無變化，當運營時間由1000 d增至3600 d的過程中塔根處彎矩增大約2倍。

從圖12～圖13可以看出，隨著運營時間的變化，徐變效應引起的上述量值的變化量比收縮效應引起的變化量要弱，但數值上已遠遠超過了收縮效應量值。徐變效應引起的最大位移為120 mm，作用在中跨跨中位置；最大彎矩為110 MN·m，作用在塔根處，相比收縮效應量值分別增大了140%和70%。徐變效應與收縮效應相比較，徐變效應對主梁下撓的貢獻更大些，這與參考文獻[1]得出的結論“在收縮徐變對主梁產生位移效應中，徐變效應占據主要成分，收縮則是次要的”是一致的。

圖12 徐變效應對主梁位移的影響

圖13 徐變效應對邊跨主梁彎矩的影響

3 混凝土收縮徐變對拉索索力的影響分析

就矮塔斜拉橋而言，混凝土的收縮徐變通過改變主梁豎向位移，影響拉索伸長量大小，從而改變拉索內力，因此不可忽視收縮徐變效應對矮塔斜拉橋索力的影響。本文選取國內外常用的4種設計規范推薦使用的收縮徐變模式，對索力進行分析研究[3]。

4種模式計算下結果不盡相同，但總體規律相似，成橋運營之后各根斜拉索索力都出現不同程度的減小。表1給出了中國（JTG—2004）規范下索力計算結果，由于對稱性，表中只給出中間塔柱的索力計算值。拉索編號遵循最短索為S1（S1’），最長索為S14（S14’）、小樁號側為 S1’～S14’的原則。

如表1所示，拉索索力相比成橋運營階段都有不同程度的減小。短索減小程度較小，長索減小較大。在成橋運營5 a中索力減小較快，減小值達到總值的70%；后期索力減小較慢，運營20～30 a，10年間的索力減小值只占總減小值的10%左右。數值上S14（S14’）號拉索成橋30 a后的索力減小達37 t，S1（S1’）號拉索減小達 11.7 t[3]。

表1 不同階段索力計算值 kN

圖14 成橋后30 a不同規范拉索索力曲線

圖14 給出了成橋后30 a不同規范索力變化曲線，可以看出運營30 a后不同規范計算索力值有差異，長索變化較大，短索差異值較小。ACI規范下索力值最大，CEP-FIP規范次之，日本規范下索力值最小，兩者索力差最大為234 kN。可見在矮塔斜拉橋的收縮徐變效應計算模式中，中國（JTG—2004）規范并不是最保守的模型。收縮徐變效應還沒有完全解決的情況下，建議選取較保守的安全系數。結合中國（JTG—2004）的計算結果與計算最不利的規范之間的差異值，建議適當提高運營階段索力的安全系數（中國（JTG—2004）規范規定為 1.67）[4-6]。

4 結論

a）隨著環境年平均相對濕度的增大，混凝土的收縮效應減弱，收縮效應引起的主梁豎向位移及截面彎矩均逐漸減小，并且次中跨跨中位置的豎向位移變化量最大，當環境年平均相對濕度由50%增大至80%的過程中，橋梁豎向位移的最大減小量為44.2%；墩梁固結處負彎矩和次中跨跨中正彎矩變化量相當，最大減小量均為44.3%。

b）當加載齡期由3 d增加到12 d的過程中，混凝土的收縮效應和徐變效應對主梁的豎向位移、邊跨彎矩的影響曲線基本重合，由收縮效應和徐變效應引起的主梁豎向位移與主梁彎矩的變化幅度與變化絕對值變化不明顯，量值上趨于穩定，可以忽略其影響。

c）當橋梁運營時間由300 d增至3600 d的過程中，混凝土收縮效應引起的主梁豎向位移、主梁彎矩均增大約2倍；徐變效應引起的主梁豎向位移和主梁彎矩在量值上遠遠超過收縮效應，徐變效應對于主梁下撓的貢獻要大于收縮效應。

d）收縮徐變效應對短索的影響較小，對長索的影響較大。不論哪種模式索力值均有不同程度的減小。不同規范收縮徐變模型的選擇對索力的影響較大，中國（JTG—2004）模型的計算結果并不是最不利的情況，可適當提高運營階段的斜拉索安全系數。建議矮塔斜拉橋斜拉索施工階段安全系數為1.67（與公路斜拉橋設計細則提出的一致），運營階段可考慮1.12的提高系數。