收縮徐變對拼寬橋梁影響的數值分析

林天然，王曉軍，柴春峰，黃聲濤

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

收縮徐變對拼寬橋梁影響的數值分析

林天然，王曉軍，柴春峰，黃聲濤

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

由于混凝土收縮徐變的影響因素眾多，且具有高度復雜性，為研究收縮徐變對拼寬橋梁的影響，以珠江路上的某小箱梁拼寬橋為研究背景，建立了空間梁格有限元模型。并從不同拼接方式、不同拼接時機來模擬收縮徐變對新老橋的受力影響。結果表明：收縮徐變作用下，靠近拼接處的新舊梁所受的內力最大，往兩邊依次減小，且隨著擱置時間的延長，收縮徐變效應在減弱，可為類似擴寬橋梁對于拼接方式及時機的選擇從受力角度提供借鑒。

拼寬橋梁；收縮徐變；拼接方式；拼接時機；受力分析

0 引言

對于拓寬橋梁，舊橋形成時間較長，舊橋結構的收縮徐變變形已基本完成，而新橋由于混凝土自身材料特性及受力影響，其收縮徐變才剛開始，當新舊混凝土粘結在一起時，由于舊混凝土的收縮徐變變形比新混凝土變形要小，而舊橋對新橋的約束會導致拼接后整體梁內部產生附加內力，這樣就會對新混凝土的收縮徐變變形產生約束，從而在連接面中產生附加內力[1-3]。若附加內力過大，超出連接面的抵抗力，連接面上將出現裂縫，進而導致結構破壞影響到橋梁的安全使用。為了保證拓寬橋梁使用的安全性、耐久性，需掌握不同拼接方式及不同拼接時機下收縮徐變對新舊拼接橋梁的受力與變形的影響。

實際橋梁拼寬中，主要有3種形式：新舊橋上、下部結構連接；上、下部結構不連接；上部結構連接，下部結構不連接。第一種形式將新舊橋的上下部結構都進行了連接，可以提升新舊橋的整體性，最大程度降低連接處的形變。但是，上下部結構都進行連接，由于新橋的沉降還不穩定，可能導致橋體內力變大，導致新舊橋的連接處出現裂縫，影響拓寬質量。第二種形式實現了新舊橋上下部結構的分離，提升了新舊橋的獨立性，避免了新舊橋之間各種力的相互作用，也切實避免了新橋沉降不穩定可能引起的問題。不僅如此，上下部結構不進行連接，可以大幅降低施工量和施工難度。但是，新舊橋上下部結構不進行連接，在活載作用下，新舊橋主梁撓度會出現差異，加之兩橋沉降也存在不同，很有可能導致連接處鋪裝層受損，影響整橋性能和行車安全。第三種形式僅僅連接了上部，下部未進行連接。連接上部、分離下部，可以減小上部結構對下部結構產生的影響。但是，收縮徐變會導致上部結構內力增加，可能導致質量問題，影響行車安全[4-7]。

2 有限元建模過程簡介

本文以烏魯木齊市珠江路改擴建工程中一座簡支小箱梁橋為研究對象，采用MIDAS Civil來模擬新老橋小箱梁的施工及接縫處理。采用梁單元來模擬小箱梁，老橋共有7片小箱梁，兩邊新橋為各3片小箱梁，共13片小箱梁，濕接縫的連接采用虛擬橫梁來處理，全橋共429個節點，688個梁單元，全橋梁格有限元模型見圖1，平面簡圖見圖2。

圖1 空間梁格有限元模型

2 不同拼接方式影響分析

如果新舊橋上下部結構無連接時，則新橋由收縮徐變引起的縱向變形可自由收縮，即不會受到舊橋的約束影響，則由收縮徐變引起的內力可忽略，故就不對其進行受力分析。當僅上部拼接為剛接（下同）時，由于新橋的變形會受到約束，勢必會在結構中產生附加內力。由圖3～圖6可以看出，在接縫擱置時間為0 d，在全橋運營10 a之后，由混凝土收縮徐變效應引起的混凝土軸力具有跨中大支點處小的特點；新梁（8號梁、9號梁）與舊梁（6號梁、7號梁）的軸力方向相反，這是由于新梁的混凝土收縮受到邊梁的約束作用，使得兩者軸力方向相反。

圖2 空間梁格平面簡圖

圖3 7號梁軸力（單位：kN）

圖4 6號梁軸力（單位：kN）

圖5 8號梁軸力（單位：kN）

圖6 9號梁軸力（單位：kN）

圖7 新橋橫橋向彎矩（單位：kN·m）

在新舊梁拼接處的主梁的軸力明顯大于其他片主梁的軸力，在舊梁部分，拼接部位7號梁的軸力最大為-1 234.7 kN，而6號梁的軸力為-125.6 kN；在新梁部分，拼接部位8號梁的最大軸力為1218.2kN，而9號梁的最大軸力為201.7 kN。這說明新舊梁由于混凝土收縮徐變差異產生的軸力主要由連接處的主梁承擔。

對于桿系結構，一般情況下，對結構的受力及變形分析只需關注縱橋向及豎向的響應，但拼寬橋梁由于混凝土收縮徐變導致的新梁縱向縮短變形受到舊梁的約束，整體結構會發生平面彎曲變形。這種平面變形如果過大，會導致舊橋支座橫橋向位移過大，發生剪切破壞，在此變形情況下，拼接部位會產生一個較大的橫向彎矩，也會導致混凝土的開裂，降低拓寬后橋梁的耐久性和適用性。因此有必要對在收縮徐變作用下新舊橋的橫橋向彎矩進行分析，以模擬結構的實際受力。

由圖7、圖8可知，在全橋運營10 a之后，由混凝土收縮效應引起的混凝土橫向彎矩在1/4跨處達到最大，并且在接縫處7、8號梁達到最大，方向相同，往兩邊依次減小，新橋部分，8號梁橫橋向彎矩最大值為289 kN·m，10號梁橫橋向彎矩最大值為88 kN·m；老橋部分，7號梁橫橋向彎矩最大值為338 kN·m，4號梁橫橋向彎矩均為0 kN·m，這說明新舊梁由于混凝土收縮徐變差異產生的橫橋向彎矩主要由連接處的主梁承擔。

圖8 舊橋橫橋向彎矩（單位：kN·m）

3 不同拼接的影響分析

混凝土的收縮應變有前期發展快，后期發展慢的特點，常用的收縮徐變預測模型計算公式均體現了這一點。為比較收縮徐變下不同拼接時機對新舊橋內力的影響，把接縫設置成濕接，拼接時間分別為0 d、1個月、3個月、0.5 a、1 a、3 a及10 a，由上節分析可知，靠近拼接縫的箱梁受力最大，故只對舊橋7、新橋8號梁的軸力、橫向彎矩及豎向彎矩進行對比分析。表1及圖9～圖11為收縮徐變作用下7、8號梁的計算對比。從圖表中可以看出，隨著拼接時間的延長，新舊梁的內力均會減小，且各項收縮效應減少的幅度一樣，這是因為我們建模分析時假定結構為線彈性結構，收縮效應的大小僅取決于新舊梁拼接完成到計算時間這一段時間內的收縮差。

表1 不同拼接時間收縮效應比較

圖9 收縮效應下軸力對比（單位：kN）

圖10 收縮效應下橫向彎矩對比（單位：kN·m）

圖11 收縮效應下豎向彎矩對比（單位：kN·m）

與新梁建造完成后直接與舊梁拼接相比，擱置90 d、180 d、365 d再與新梁拼接的各種收縮徐變效應分別降低約12.4%、22.0%、36.4%，且隨著拼接時間的增長，減小的速度變緩，這是因為混凝土收縮、徐變應變的發展規律特性決定的，新梁澆筑完成后，前期收縮徐變量大，隨著時間的增長，增長速度減緩，此時再延長拼接時間，對減小收縮徐變效應的作用會變小。然而延長拼接時間會對工期造成影響，提高工程成本，因此在實際橋梁拼寬工程中，我們要合理安排工序，綜合考慮各方面因素，確定合理的拼接時間，以達到最平衡的實際效果。

4 結 語

本文以珠江路改擴建工程中的一座簡支小箱梁橋為例，在拼寬橋中考慮收縮徐變效應的影響，建立空間梁格有限元模型進行分析，得到了以下結論：（1）通過不同拼接方式的影響分析，可以發現收縮徐變作用下新舊梁受力的一些發展規律：由混凝土收縮徐變效應引起的混凝土軸力具有跨中大支點處小的特點，且新舊梁的軸力方向相反；在新舊梁拼接處的主梁的軸力明顯大于其他片主梁的軸力，即新舊梁由于混凝土收縮徐變差異產生的軸力主要由連接處的主梁承擔；而對于彎矩，由收縮徐變效應引起的橫橋向彎矩在1/4跨處達到最大，且新舊梁的彎矩方向相同；

（2）通過不同拼接時間的選擇，通過計算表明，延長新、舊主梁的拼接時間可以減小新、舊主梁的收縮徐變差異，從而減小收縮徐變引起的效應。與新梁建造完成后直接與舊梁拼接相比，擱置90 d、180 d、365 d再與新梁拼接的各種收縮徐變效應分別降低約12.4%、22.0%、36.4%，且隨著拼接時間的增長，減小的速度變緩。因此，要結合工程實際情況，綜合考慮工期、工程造價等其他因素，確定合理的新梁拼接時間，以達到最佳的綜合效果。

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U445.6

B

1009-7716（2017）03-0121-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.033

2016-12-12

林天然（1989-），男，浙江溫州人，工程師，從事橋梁設計工作。