大跨度高鐵斜拉橋鋼-混結合主梁收縮徐變研究

李銘偉

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

近年來，我國高速鐵路建設發展迅速，建設大跨度高速鐵路橋梁的技術水平也在不斷提高。其中，鋼混結合梁斜拉橋以其良好的受力特性及優美的外觀特征越來越多地被應用到高速鐵路建設中[1-3]。

混凝土收縮徐變是混凝土材料隨時間變化所固有的屬性，自20世紀初被發現以來，經過了近一個世紀的理論分析與實驗研究，其產生機理和計算方法得到不斷地發展與完善。R.lan Gilbert等提出了兩種用于鋼混結合截面徐變的分析方法，一種是采用按齡期調整有效模量法進行徐變行為的描述，另一種是分解混凝土微分本構關系及徐變率的方法[4]；Claudio Amadio等提出簡化的按齡期調整有效模量法[5-6]；Tehami等指出，在進行混凝土收縮徐變對鋼混組合結構受力性能的影響時，必須充分考慮時間的影響[7]；樊建生等對結合梁收縮徐變效應及混凝土開裂影響進行試驗研究[8-9]。鋼、混凝土兩種材料結合成整體，兩者之間互相約束，單一材料變形的改變都會影響到整個結構的受力，發生內力重分布，由于混凝土材料的收縮徐變造成結合梁的附加變形可能會造成預應力損失、混凝土板開裂、變形超過容許值等有害影響，影響結構的安全性、耐久性和正常使用性[10]。因此，研究此種特殊結構的收縮徐變效應有非常重要的意義。

以贛江特大橋為工程背景，建立全橋有限元數值分析模型，對成橋后的贛江特大橋在收縮徐變作用下的受力特性變化進行分析。同時在建模過程中考慮橋面板不同的加載齡期，討論在不同加載齡期下混凝土收縮徐變對橋梁結構產生的影響。

2 工程概況

贛州贛江特大橋為南昌至贛州高速鐵路的控制性工程之一，全橋長2 155.44 m。跨贛江主橋為鋼-混凝土混合結合梁雙塔斜拉橋，孔跨布置為(35+40+60+300+60+40+35) m，主橋采用塔梁分離的半漂浮結構體系，拉索為雙索面布置，索塔處設置豎向帶縱向阻尼支座、橫向抗風支座，邊墩及輔助墩設置豎向支座(一側為單向滑動，一側為雙向滑動)。主橋全橋立面布置如圖1所示。

圖1 贛江特大橋主橋立面布置(單位：m)

主梁由混凝土箱梁、鋼-混凝土結合梁及兩種梁型的過渡段三部分組成，一側混凝土主梁長155.75 m，邊支座中心線至梁端0.75 m，支座橫橋向中心距5.0 m，鋼-混結合段位于主梁中跨距索塔中心20 m處，一側過渡段長10 m。邊跨混凝土箱梁不僅起到斜拉橋壓重的作用，還能很大程度上減小主跨的變形及應力。鋼-混凝土結合梁采用箱形結合梁型式，設置弧形風嘴，橋面寬16.3 m，梁高4.475 m(結合梁中心線處)。鋼箱梁頂板同橋面板濕接縫之間采用剪力釘結合成整體。鋼-混結合梁標準橫截面如圖2所示。

圖2 鋼-混結合梁標準橫截面(單位：mm)

鋼箱梁為開口形式，采用工廠分段預制部件，現場焊接拼裝的施工方法。混凝土橋面板全寬16.3 m，橋面板標準厚度30 cm，在鋼梁上翼緣附近區域加厚至50 cm。橋面板分為預制板、縱向濕接縫及橫向濕接縫三部分。

3 橋面板收縮徐變影響分析

3.1 數值分析模型

混凝土主梁與鋼-混凝土結合梁之間的過渡段采用“埋入式+前后承壓板式”鋼-混凝土接頭。整個過渡段段長10 m，其中，包括2 m鋼梁埋入節段、5 m剛度過渡節段和3 m頂底板漸變節段。以下重點研究主跨鋼-混凝土結合梁的空間受力特性，對過渡段建模時，將5.0 m長簡化為混凝土梁截面，將5.0 m長簡化為鋼-混凝土結合梁截面，依據設計資料對鋼-混凝土主梁混合段容重進行修正。

采用軟件中施工聯合截面模塊來對主跨鋼-混凝土結合梁截面進行模擬[11]，并采用變截面組考慮主跨不同位置處結合梁截面的變化。

模型采用梁單元模擬橋塔和主梁，采用索單元模擬斜拉索，全橋共建立梁單元408個，索單元96個，節點795個。贛江特大橋主橋有限元模型如圖3所示。

圖3 主橋全橋有限元模型

斜拉橋主跨鋼箱梁選用Q345qD鋼材；鋼箱梁上混凝土橋面板及混凝土主梁選用C55混凝土；橋塔及塔上橫梁均選用C40混凝土；斜拉索選用φ7 mm的熱擠聚乙烯鍍鋅平行鋼絲拉索。各部分材料參數如表1所示。

表1 主要結構材料參數

斜拉橋施工共劃分了72個施工階段，每個標準結合梁段的施工流程如下。

①逐次移動吊機至施工位置；

②逐次吊裝鋼箱梁；

③逐次對應張拉斜拉索；

④逐次施工鋼箱梁上橋面板后對應張拉橋面板預應力鋼束。

模型中考慮的荷載有自重、預應力、溫度荷載、斜拉索張拉力、二期恒載、基礎變位、橋面吊機荷載以及ZK活載。

采用正裝迭代方法[12]，確定贛江特大橋的合理施工狀態索力。其中，初始張拉索力依據本節段施工的梁體重量和吊機重量求得，二次調索索力為正裝迭代方法取的首次張拉索力，成橋狀態索力經過多次迭代計算后得到。

3.2 收縮徐變計算理論

根據鄭緯奇等研究結論，認為采用CEB-FIP90計算理論預測鋼混結合梁的收縮徐變精度較高[13-14]，該理論預測混凝土收縮應變的計算公式為

εcs(t，t0)=εcs0βs(t，ts)=εs(fcm)βRHβs(t-ts)

(1)

式中，εcs0為名義收縮系數；εs(fcm)為混凝土強度修正系數；βRH為環境相對濕度修正系數；βs(t-ts)為縮進程函數。

該理論預測混凝土徐變系數的計算公式為

φ(t，τ0)=φ0βc(t，τ0)

(2)

式中，φ0為名義徐變系數，φ0=φRHβ(fcm)β(τ0)·βc(t，τ0);βc(t，τ0)為徐變系數進程系數；φRH為環境相對濕度修正系數；β(fcm)為混凝土強度修正系數；β(τ0)為加載齡期修正系數。

3.3 成橋階段受力特性分析

斜拉索的水平分力為斜拉橋主梁提供一定的壓應力儲備，使混凝土優異的抗壓性能得到充分發揮。但斜拉索的水平分力同時也會導致主梁混凝土結構徐變效應增長。

圖4、圖5給出了施工成橋階段結合梁混凝土橋面板及鋼箱梁的受力情況。

圖4 混凝土橋面板施工成橋階段截面應力包絡曲線

圖5 鋼箱梁施工成橋階段截面應力包絡曲線

由圖4、圖5可以看出，在施工成橋階段，結合梁橋面板頂底緣均未出現拉應力，頂緣應力為-15.80 MPa，底緣應力為-14.30 MPa(均小于[σb]=18.5 MPa)；鋼箱梁頂緣應力為-208 MPa，底緣應力為-74.10 MPa(均小于[σs]=210 MPa)。

圖6給出了成橋初期、運營1年、運營3年、運營5年結合梁橋面板及鋼箱梁的受力情況。

圖6 鋼混結合梁運營階段截面應力隨時間變化曲線

由圖6可以看出：

①結合梁頂緣σcmin=-10.80 MPa，結合梁底緣的應力σcmin=-65.20 MPa，均小于容許值；

②結合梁頂緣成橋初期到運營5年后應力變化最大值為2.52 MPa，其中，運營1年后的變化占56.7%，運營3年后的變化占76.7%；

③結合梁底緣成橋初期到運營5年后應力變化最大值為-13.1 MPa，其中，運營1年后的變化占50.9%，運營3年后的變化占78.9%。

3.4 橋面板不同加載齡期收縮徐變效應比較

混凝土的加載齡期是影響混凝土徐變效應的一項主要因素[15]，徐變系數增長速率隨加載齡期的延長而縮小。贛江特大橋主跨超過300 m，為減小結合梁中混凝土橋面板收縮徐變對橋梁工后變形的影響，需分析其加載齡期參數，為確定預制橋面板的加載齡期提供依據。

加載齡期分別取28 d、60 d、90 d、180 d和270 d。通過這種方式，找出此種鋼混結合梁斜拉橋運營5年后主梁撓度以及混凝土橋面板、鋼箱梁的應力變化規律。選取主梁跨中截面為研究對象，分析結果如圖7所示。

圖7 主橋跨中截面撓度及應力變化對比

進一步分析工后變形，即從鋪設鋼軌后開始至計算期的變形差值，選取主跨跨中截面，結果見表2。

表2 橋面板不同加載齡期對主跨跨中截面工后變形差值影響

由圖7及表2可以看出：

①結合梁隨橋面板混凝土加載齡期的延長，整個截面的應力重分布程度逐漸減弱。加載齡期越長，結合梁橋面板頂緣壓應力越大，鋼箱梁底緣應力越小。齡期為180 d和270 d時，結合梁頂底緣應力變化差別較小；

②橋面板混凝土加載齡期越長，鋪設鋼軌后的結合梁撓度越小，至計算期的工后變形增量也降低。根據我國《高速鐵路設計規范》[16]，無砟軌道鋪設完成后，橋梁的豎向殘余徐變變形不應大于L/5 000且不應大于20 mm，故加載齡期為180 d和270 d時，殘余徐變變形可以滿足規范要求且兩者之間差別較小。

4 結論

(1)在施工成橋階段，贛江特大橋鋼混結合梁橋面板及鋼箱梁各截面頂底緣應力均未超過規范規定的容許值，說明主梁在施工成橋階段的受力狀態合理。

(2)在運營階段，贛江特大橋鋼混結合梁橋面板及鋼箱梁受力均滿足規范要求，結合梁在成橋1年后收縮徐變完成了50%以上，3年后完成了80%左右。

(3)橋面板混凝土的加載齡期越長，結合梁撓度及應力受收縮徐變的影響越小，工后豎向殘余徐變變形越小。在大跨度高鐵無砟軌道結合梁斜拉橋施工過程中，應將結合梁橋面板預制存放180 d后，再進行吊裝，可以有效降低混凝土收縮徐變對此種結構正常使用期間力學行為的影響。