收縮徐變對(duì)矮塔斜拉橋主梁撓度的影響

郁光耀

中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司

1 引言

混凝土收縮、徐變效應(yīng)與應(yīng)力情況與混凝土齡期有著密切的關(guān)系，在研究混凝土收縮、徐變的模型時(shí)，由于影響因素多，機(jī)理復(fù)雜，沒有選定的計(jì)算模型或者計(jì)算參數(shù)。本文針對(duì)長(zhǎng)灣澧水矮塔斜拉橋，通過理論計(jì)算的分析，對(duì)矮塔不等跨斜拉橋不同時(shí)間段對(duì)梁體撓度的影響進(jìn)行分析與計(jì)算，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2 混凝土收縮徐變計(jì)算理論

2.1 收縮計(jì)算理論

在應(yīng)力變化條件下，從加載時(shí)齡期t0到觀察時(shí)刻t，所產(chǎn)生的應(yīng)變總和為：

根據(jù)我國(guó)學(xué)者金成棣提出的應(yīng)力松弛規(guī)律：

再引入折算系數(shù)：

上式簡(jiǎn)化為：

式中：

上式即為在變化應(yīng)力條件下,t時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土徐變的總應(yīng)變計(jì)算公式。應(yīng)用虛功原理求得結(jié)構(gòu)因混凝土徐變的總變形計(jì)算公式:

式中：

M(t)——結(jié)構(gòu)徐變次內(nèi)力,計(jì)算式前項(xiàng)為結(jié)構(gòu)在加載齡期t0時(shí)初始力引起的總變形（彈性變形與徐變變形之和），后項(xiàng)是結(jié)構(gòu)徐變次內(nèi)力引起的總變形。

2.2 徐變計(jì)算理論

橋梁結(jié)構(gòu)的收縮是長(zhǎng)期變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力無(wú)較大的影響，自t0至t時(shí)的收縮應(yīng)變值εcs(t,t0)：

式中名義收縮系數(shù)εcs0根據(jù)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范。

當(dāng)采用手算方法時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與橋梁實(shí)體往往會(huì)存在一定的差別，這些差別會(huì)引起計(jì)算結(jié)果的差異，從而導(dǎo)致手算結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，在實(shí)際計(jì)算中更多地采用有限元仿真計(jì)算的方法，有限元計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況。

2.3 收縮徐變有限元分析方法

有限元逐步分析法是將構(gòu)件在收縮徐變的全過程劃分為若干相互連接的小過程，根據(jù)應(yīng)變相容條件求出該過程的應(yīng)力或內(nèi)力的變化，從而得出該過程結(jié)束時(shí)或下一過程開始時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并開始進(jìn)行下個(gè)過程的計(jì)算。對(duì)分段施工的混凝土從ti時(shí)刻到tn時(shí)刻的由收縮徐變引起的總應(yīng)變：

假定截面Sj 在時(shí)刻εcs ( t,t0)產(chǎn)生,在εcs ( t,t0)內(nèi)徐變?cè)隽繛棣與s ( t,t0)內(nèi)力增量為εcs ( t,t0)最后εcs ( t,t0)的總位移和總內(nèi)力為：

3 計(jì)算分析

長(zhǎng)灣澧水大橋主橋斜拉橋共計(jì)有44個(gè)施工節(jié)段，梁體1～44號(hào)段采用懸臂澆筑的施工方法，墩頂12.0m為0號(hào)梁段，（1）～(14)號(hào)梁段長(zhǎng)3.0m，（15）～（40）號(hào)梁段長(zhǎng)3.5m，（41）～（44）號(hào)梁段長(zhǎng)5.0m，（41’）～（44’）號(hào)梁段長(zhǎng)3.0m,（45）（45’）號(hào)梁段為合攏段，梁段長(zhǎng)2.0m，小里程和大里程現(xiàn)澆梁段長(zhǎng)分別為11.75m和5.75m。

圖1 橋梁布置圖

用有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，全橋共分為263個(gè)節(jié)點(diǎn)345個(gè)單元。

圖2 橋梁計(jì)算模型

通過分析梁體運(yùn)營(yíng)荷載和后期的收縮徐變對(duì)梁體的影響，圖3和圖4是二期恒載后10年每年收縮與徐變對(duì)主梁撓度影響情況，從圖3和圖4可以看出：

（1）在10年內(nèi)收縮與徐變引起主梁的撓度量都在第1年發(fā)生最大，其中收縮撓度量第1年占10年的28%，徐變撓度量第1年占10年的49%。

（2）成橋運(yùn)營(yíng)第2年和第3年間收縮引起的撓度將占階段總撓度的26%，徐變引起的撓度將占階段總撓度的32%。

（3）收縮徐變對(duì)主梁撓度的影響在10年內(nèi)影響是相當(dāng)巨大的，且主要發(fā)生在前3年，3年之后逐漸變小趨于穩(wěn)定。

圖3 前10年每年收縮對(duì)撓度的影響情況

圖4 前10年每年徐變對(duì)主梁撓度情況

圖5和圖6為主梁在10年內(nèi)、20年內(nèi)、100年內(nèi)收縮徐變對(duì)主梁撓度的影響情況，從圖3和圖4可以看出：收縮對(duì)主梁撓度的影響隨時(shí)間減弱的程度比徐變對(duì)主梁撓度影響要小，100年后收縮對(duì)主梁撓度約為10年后的1倍，這說(shuō)明前面10年與后面90的收縮對(duì)主梁撓度影響相當(dāng)；10年后徐變對(duì)主梁的撓度影響變化很小，徐變對(duì)主梁撓度的影響主要發(fā)生在前10年，那么在設(shè)置施工預(yù)拱度時(shí)考慮10年的收縮徐變即可。

圖5 10年、20年、100年收縮對(duì)主梁撓度影響情況

圖6 10年、20年、100年徐變對(duì)主梁撓度影響情況

4 減少收縮徐變對(duì)主梁撓度影響的方法

目前節(jié)段梁體的收縮徐變與梁體撓度的影響的分析計(jì)算主要是通過一些假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)上，在實(shí)際施工中為了減少梁體的收縮徐變的影響，主要通過調(diào)整相應(yīng)的施工方法和步驟，主要是方法是：

（1）優(yōu)化預(yù)應(yīng)力設(shè)置；（2）調(diào)整合攏順序；（3）調(diào)整合攏方法；（4）合攏段配重；（5）根據(jù)計(jì)算的理論值調(diào)整預(yù)拱度；（6）合攏時(shí)施加頂推力；（7）合攏段使用膨脹混凝土；（8）調(diào)整混凝土的配合比；（9）梁體預(yù)留備用預(yù)應(yīng)力束。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)矮塔斜拉橋的收縮徐變?cè)诓煌瑫r(shí)間段主梁撓度與收縮徐變的關(guān)系運(yùn)用有限元及通過一些假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，為實(shí)際施工中減少梁體的收縮徐變的影響，