低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變影響分析*

陳 爽，唐慧琪，李繼蕓，文 濤，陳威庭，李福海

(1.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明 650000；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋具有跨徑大、抗震能力強及內(nèi)力分布合理等優(yōu)點，近數(shù)十年來得到廣泛應用[1]。然而，連續(xù)剛構(gòu)橋在服役過程中普遍存在因跨中撓度過大而導致箱梁腹板開裂等工程病害問題，嚴重威脅橋梁安全性。國內(nèi)外的研究成果顯示[2]，造成連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度過大的主要原因是混凝土收縮徐變，特別是對低濕環(huán)境下大跨度且墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)橋而言，結(jié)構(gòu)因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的附加效應更明顯[3-4]，對行車的舒適性、橋梁的使用年限及美觀性都將產(chǎn)生不同程度的影響[5]。

近些年來對收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生的影響已進行較多研究。鄧宜峰等[6]通過有限元法研究了4種收縮徐變模型對實際橋梁工程預測精確性，結(jié)果表明，CEB-FIP90模型具有最高的預測精度，而ACI209模型預測精度最差。李寧[7]對徐變效應影響下的連續(xù)剛構(gòu)橋附加撓度及應力進行了研究，結(jié)果表明，連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)受徐變影響較大，且易在橋梁懸臂處出現(xiàn)最大變形。朱鵬飛等[8]系統(tǒng)總結(jié)了連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)系闹饕蛩亍Ｊ赱9]研究了連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)變形，認為在橋梁設(shè)計過程中須考慮收縮徐變效應。上述文獻對連續(xù)剛構(gòu)橋在收縮徐變影響下產(chǎn)生效應的研究具有一定的工程意義。但也可看出，目前針對收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋的影響并沒有考慮環(huán)境因素，尤其是低濕環(huán)境。

本文以某實際橋梁工程為研究對象，利用有限元軟件MIDAS/Civil建立計算模型，對低濕環(huán)境下連續(xù)剛構(gòu)橋在收縮徐變影響下的跨中應力與撓度進行分析，為工程提供參考。

1 收縮徐變模型選擇

目前各國規(guī)范對收縮徐變預測模型的計算公式均為根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)分析，利用計算機軟件與數(shù)學方法擬合得出的經(jīng)驗公式，因混凝土收縮徐變影響因素眾多，設(shè)計試驗探索的側(cè)重點不同，故各國學者推導得到的收縮徐變預測模型所考慮的影響因素也并不相同。目前較經(jīng)典的混凝土徐變預測模型主要有ACI 209R-92[10]，CEB-FIP(1990)[11]，F(xiàn)IB-2010[12]，AS 3600∶2018[13]及GL2000[14]。前四者為各國規(guī)范采用的模型，而后者為學者論文中提出的模型。研究表明[15]，CEB-FIP(1990)模型對相對濕度40%～100%、溫度5～30℃的剛構(gòu)橋收縮徐變計算精度高，且JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》所參考的收縮徐變預測模型為CEB-FIP(1990)模型，因此關(guān)于收縮徐變效應的計算模型選用CEB-FIP(1990)模型，具體表達式如下。

1)收縮模型

εcs(t,ts)=εcso·βs(t-ts)

(1)

εcso=εs(fcm)·βRH

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：εcs(t,ts)為收縮開始時的齡期為ts、計算考慮的齡期為t時的收縮應變；εcso為名義收縮系數(shù)；βs為收縮隨時間發(fā)展的系數(shù)；fcm為本模型中的抗壓強度(圓柱體抗壓強度)；βRH為與年平均相對濕度相關(guān)的系數(shù)，適用于40%≤RH<99%；RH為環(huán)境年平均相對濕度(%)；βsc為依水泥種類而定的系數(shù)，對一般的硅酸鹽類水泥或快硬水泥，取5.0；h為構(gòu)件理論厚度(mm)，取2A/u，其中A為構(gòu)件截面面積，u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長度；RH0取100%；h0取100mm；t1取1d；fcmo取10MPa。

2)徐變模型

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)

(6)

φ0=φRHβ(fcm)β(t0)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：t0為加載時混凝土齡期(d)；t為計算時刻的混凝土齡期(d)；φ(t,t0)為徐變系數(shù)；φ0為名義徐變系數(shù)；βc為加載后徐變隨時間發(fā)展系數(shù)。

由CEB-FIP(1990)模型計算公式可知，不同濕度下參數(shù)βRH與φRH的取值分別反映了環(huán)境濕度對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮與徐變的影響；成橋年限對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮的影響則通過式(1)中參數(shù)t與βs的取值得以體現(xiàn)，對徐變的影響則通過式(6)中的參數(shù)t與βc得以體現(xiàn)。

2 工程概況

本文研究對象為云南某地公路大橋主橋，橋型為(73+130+73)m預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋下部主墩采用鋼筋混凝土雙薄壁空心墩，單肢平面尺寸為7m×2.5m，雙肢壁面外到外距離12m。上部結(jié)構(gòu)由2個130m T構(gòu)組成對稱結(jié)構(gòu)，全橋長276m。箱梁頂寬12.5m、底寬7m，箱梁為單箱單室斷面。箱梁高度由中部2.6m按1.8次拋物線變化至懸臂根部8.2m；腹板厚度分別為0.7，0.5m，底板厚度由跨中0.32m按1.8次拋物線變化至懸臂根部1.0m。剛構(gòu)懸臂段施工采用掛籃對稱懸澆，現(xiàn)澆節(jié)段長3～4.5m，最大懸澆主梁節(jié)段混凝土重185t，采用后支點掛籃，自重按100t計。箱梁橋面鋪裝為8cm C50混凝土+防水材料+10cm瀝青混凝土，橋面布置為11.5m行車道+2×0.5m防撞護墻，汽車荷載標準為公路Ⅰ級，設(shè)計速度為80km/h。

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立主橋(73+130+73)m連續(xù)剛構(gòu)橋的有限元模型，如圖1所示。全橋共建立結(jié)點225個、單元218個。主梁、橋墩、系梁皆采用梁單元模擬。采用JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的公式驗算。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型

3 低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變影響

以連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型為基礎(chǔ)，將外界環(huán)境濕度分別考慮為40%，70%以模擬低濕度和高濕度，以70%濕度為對照，探究40%濕度下剛構(gòu)橋收縮徐變效應。同時，考慮成橋1年、3年、6年、10年、30年及50年以考慮混凝土的收縮徐變效應，探究自重和中跨滿布持荷狀態(tài)下剛構(gòu)橋收縮徐變的影響，其中中跨滿布荷載形式如圖2所示。具體工況如表1所示。

表1 具體工況

圖2 持荷布置

3.1 低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變的內(nèi)力影響

探究不同濕度下收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力分布的影響，2種濕度下不同成橋年限在自重作用下的主梁彎矩分布如圖3所示。

由圖3可知，隨著時間的延長，相同濕度環(huán)境下連續(xù)剛構(gòu)橋彎矩值進一步增加，體現(xiàn)出明顯的時變效應。同時可發(fā)現(xiàn)，成橋年限相同時，70%濕度環(huán)境下的連續(xù)剛構(gòu)橋彎矩值均高于40%濕度環(huán)境下的彎矩值，主梁彎矩的最值均為40%濕度下成橋年限為50年的剛構(gòu)橋，且彎矩曲線的變化也相對緩和，說明低濕環(huán)境下連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變效應相比于高濕環(huán)境更大。這是由于低濕環(huán)境相比于高濕環(huán)境，混凝土內(nèi)部水分更易往外界環(huán)境遷移，促進了混凝土干燥收縮與干燥徐變的發(fā)展，從而增加了混凝土總收縮量與總徐變量，導致連續(xù)剛構(gòu)橋彎矩值增大。此外，由圖3還可知，部分低濕環(huán)境下較短成橋年限的連續(xù)剛構(gòu)橋彎矩值大于高濕環(huán)境下較長成橋年限的連續(xù)剛構(gòu)橋彎矩值，如40%濕度環(huán)境下成橋30年的最大負彎矩值明顯大于70%濕度環(huán)境下成橋50年的最大負彎矩值，這也表明因年限增長而導致連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變增加量小于因濕度降低帶來的附加收縮徐變量。

圖3 主梁彎矩分布

3.2 低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變的應力影響

為對比2種濕度下連續(xù)剛構(gòu)橋的應力分布，40%與70%濕度下成橋50年自重作用下主梁上、下邊緣的應力分布如圖4所示；并將成橋年限為30年與50年的8個工況跨中上、下邊緣的應力值置于表2，以拉應力為正。

圖4 主梁應力分布

表2 跨中應力數(shù)值 MPa

40%和70%濕度下成橋50年收縮徐變對主梁下緣與上緣產(chǎn)生的應力分布如圖4所示。由下緣應力分布可看出，2種濕度下收縮徐變對下緣產(chǎn)生的效應除了墩梁固結(jié)處會出現(xiàn)少許壓應力，絕大部分為拉應力，而上緣應力主要在接近中跨跨中和邊跨支座部分為壓應力，其余梁段為拉應力。通過對比下緣應力與上緣應力的線形可看出，不論應力為正還是負，以最值比較，40%濕度下應力的數(shù)值都要分別大于70%濕度下的應力數(shù)值，說明低濕環(huán)境的不利效應。

由表2中跨中應力數(shù)值可看出，收縮徐變效應對主梁上、下邊緣皆產(chǎn)生拉應力，隨著成橋時間的增加，混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應力也有所增加，自重與持荷2種工況相比，以工況1和工況2為例，持荷下產(chǎn)生的上緣應力大于自重，而收縮徐變產(chǎn)生的下緣應力小于自重。對比不同濕度的影響，以工況3和工況7為例，40%，70%濕度下上緣拉應力為0.02，0.08MPa，雖在高濕環(huán)境下上緣應力稍高于低濕環(huán)境，但兩種環(huán)境下的應力變化僅為0.06MPa。而下緣應力分別為3.01，2.28MPa，兩種環(huán)境下的應力變化為0.73MPa, 很明顯可對比出低濕環(huán)境會使下緣產(chǎn)生更大拉應力。在橋梁設(shè)計中，結(jié)合其他不利荷載工況組合，會使跨中下緣十分不利。

3.3 低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變的撓度影響

為比較各影響因素下收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響，此節(jié)繪制了24個工況下收縮徐變對跨中撓度所產(chǎn)生的效應，如圖5所示，以撓度向下為負，其中圖5a，5b分別為自重與持荷狀態(tài)下的跨中撓度值。

圖5 跨中撓度值

由圖5可看出，隨著時間的延長，混凝土收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度的影響越大。自重狀態(tài)下，1年、3年、6年、10年、30年及50年成橋年限在40%濕度下的跨中撓度增長平均速率分別為-12.13， -3.745，-2.143，-1.418，-0.701，-0.338mm/年， 跨中撓度值增長速率隨著成橋年限的增長而逐漸減小，70%濕度及持荷狀態(tài)條件下的跨中撓度值增長速率也表現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢，這表明收縮徐變對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度的影響主要體現(xiàn)在成橋早期，后期將隨著收縮徐變發(fā)展速率的降低而減弱。通過對比圖5a，5b還可知，相同成橋年限與濕度條件下，持荷狀態(tài)下的剛構(gòu)橋跨中撓度值均高于自重狀態(tài)下的跨中撓度值，以成橋50年為例，40%，70%濕度下因荷載效應增加的跨中撓度值為7～8mm，持荷會對剛構(gòu)橋跨中撓度造成一定范圍內(nèi)增長。通過對比不同濕度下的跨中撓度還可看出，自重狀態(tài)下，由工況11和工況23對比可得，低濕環(huán)境下剛構(gòu)橋跨中撓度要多16mm左右，若再考慮持荷狀態(tài)下，對比工況12和工況24可知，因低濕環(huán)境下收縮徐變產(chǎn)生的撓度為17mm左右，表明濕度對剛構(gòu)橋跨中撓度的影響最明顯。

4 改善措施

綜上分析，低濕環(huán)境下混凝土收縮徐變效應對連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力及跨中撓度產(chǎn)生不利影響相比于高濕環(huán)境更大，危害程度更大。而目前無法人為改變連續(xù)剛構(gòu)橋所處的環(huán)境特征，故本節(jié)根據(jù)目前的研究成果，從連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計、混凝土及預應力張拉方面提出改善措施。

1)設(shè)計方面 連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變效應計算必須接近實際情況，須選擇合適的混凝土收縮徐變模型，應充分考慮剛構(gòu)橋服役階段內(nèi)的結(jié)構(gòu)自重、環(huán)境溫濕度、車輛荷載等作用對收縮徐變的附加效應。

2)混凝土方面 基于骨料緊密堆積理論，優(yōu)化粗骨料級配比例，在保證工作性能合格的基礎(chǔ)上，嚴格控制膠凝材料用量，因為收縮徐變本質(zhì)上是混凝土中水泥漿體的變形，骨料主要起到抑制變形作用。同時，適當延長攪拌時間，嚴格控制澆筑與振搗質(zhì)量，提高混凝土密實程度。

3)預應力張拉方面 在混凝土強度滿足預應力張拉的規(guī)定要求后，適當延長張拉齡期，使得預應力張拉作業(yè)可在混凝土具有較高彈性模式時進行，否則可能將導致連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生較大收縮徐變，從而造成預應力損失及跨中撓度過大。

5 結(jié)語

1)低濕環(huán)境下收縮徐變對剛構(gòu)橋所產(chǎn)生的彎矩圖變化更加劇烈，其最大正、負彎矩都出現(xiàn)在低濕環(huán)境長時間條件下。

2)收縮徐變對剛構(gòu)橋主梁的上、下緣應力效應不同，下緣除了墩梁固結(jié)處大部分都為拉應力，而上緣在接近中跨跨中和邊跨支座處會出現(xiàn)壓應力，且低濕環(huán)境會使剛構(gòu)橋的收縮徐變產(chǎn)生較大拉應力，結(jié)合其他不利荷載工況的組合，會使跨中下緣十分不利。

3)持荷狀態(tài)下收縮徐變將產(chǎn)生更大撓度，在原有荷載產(chǎn)生的撓度下，收縮徐變使其產(chǎn)生比自重下更大的附加撓度，更加不利。同時，40%濕度相比于70%濕度下收縮徐變產(chǎn)生的跨中撓度要多16mm左右，說明低濕環(huán)境對連續(xù)剛構(gòu)橋的不利影響。