林天然，王曉軍，柴春峰，黃聲濤

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201204）

收縮徐變對拼寬橋梁影響的數(shù)值分析

林天然，王曉軍，柴春峰，黃聲濤

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)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(fù)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?yàn)檠芯勘尘?，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(shí)機(jī)來模擬收縮徐變對新老橋的受力影響。結(jié)果表明：收縮徐變作用下，靠近拼接處的新舊梁所受的內(nèi)力最大，往兩邊依次減小，且隨著擱置時(shí)間的延長，收縮徐變效應(yīng)在減弱，可為類似擴(kuò)寬橋梁對于拼接方式及時(shí)機(jī)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(shí)機(jī)；受力分析

0 引言

對于拓寬橋梁，舊橋形成時(shí)間較長，舊橋結(jié)構(gòu)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(dāng)新舊混凝土粘結(jié)在一起時(shí)，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?qū)π聵虻募s束會導(dǎo)致拼接后整體梁內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力，這樣就會對新混凝土的收縮徐變變形產(chǎn)生約束，從而在連接面中產(chǎn)生附加內(nèi)力[1-3]。若附加內(nèi)力過大，超出連接面的抵抗力，連接面上將出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(shí)機(jī)下收縮徐變對新舊拼接橋梁的受力與變形的影響。

實(shí)際橋梁拼寬中，主要有3種形式：新舊橋上、下部結(jié)構(gòu)連接；上、下部結(jié)構(gòu)不連接；上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接。第一種形式將新舊橋的上下部結(jié)構(gòu)都進(jìn)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(jié)構(gòu)都進(jìn)行連接，由于新橋的沉降還不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致橋體內(nèi)力變大，導(dǎo)致新舊橋的連接處出現(xiàn)裂縫，影響拓寬質(zhì)量。第二種形式實(shí)現(xiàn)了新舊橋上下部結(jié)構(gòu)的分離，提升了新舊橋的獨(dú)立性，避免了新舊橋之間各種力的相互作用，也切實(shí)避免了新橋沉降不穩(wěn)定可能引起的問題。不僅如此，上下部結(jié)構(gòu)不進(jìn)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(jié)構(gòu)不進(jìn)行連接，在活載作用下，新舊橋主梁撓度會出現(xiàn)差異，加之兩橋沉降也存在不同，很有可能導(dǎo)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(jìn)行連接。連接上部、分離下部，可以減小上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。但是，收縮徐變會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加，可能導(dǎo)致質(zhì)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(kuò)建工程中一座簡支小箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，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?yàn)楦?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(jié)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)無連接時(shí)，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(nèi)力可忽略，故就不對其進(jìn)行受力分析。當(dāng)僅上部拼接為剛接（下同）時(shí)，由于新橋的變形會受到約束，勢必會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加內(nèi)力。由圖3～圖6可以看出，在接縫擱置時(shí)間為0 d，在全橋運(yùn)營10 a之后，由混凝土收縮徐變效應(yīng)引起的混凝土軸力具有跨中大支點(diǎn)處小的特點(diǎn)；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(chǎn)生的軸力主要由連接處的主梁承擔(dān)。

對于桿系結(jié)構(gòu)，一般情況下，對結(jié)構(gòu)的受力及變形分析只需關(guān)注縱橋向及豎向的響應(yīng)，但拼寬橋梁由于混凝土收縮徐變導(dǎo)致的新梁縱向縮短變形受到舊梁的約束，整體結(jié)構(gòu)會發(fā)生平面彎曲變形。這種平面變形如果過大，會導(dǎo)致舊橋支座橫橋向位移過大，發(fā)生剪切破壞，在此變形情況下，拼接部位會產(chǎn)生一個較大的橫向彎矩，也會導(dǎo)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(jìn)行分析，以模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力。

由圖7、圖8可知，在全橋運(yùn)營10 a之后，由混凝土收縮效應(yīng)引起的混凝土橫向彎矩在1/4跨處達(dá)到最大，并且在接縫處7、8號梁達(dá)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(chǎn)生的橫橋向彎矩主要由連接處的主梁承擔(dān)。

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(yīng)變有前期發(fā)展快，后期發(fā)展慢的特點(diǎn)，常用的收縮徐變預(yù)測模型計(jì)算公式均體現(xiàn)了這一點(diǎn)。為比較收縮徐變下不同拼接時(shí)機(jī)對新舊橋內(nèi)力的影響，把接縫設(shè)置成濕接，拼接時(shí)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(jié)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(jìn)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(jì)算對比。從圖表中可以看出，隨著拼接時(shí)間的延長，新舊梁的內(nèi)力均會減小，且各項(xiàng)收縮效應(yīng)減少的幅度一樣，這是因?yàn)槲覀兘７治鰰r(shí)假定結(jié)構(gòu)為線彈性結(jié)構(gòu)，收縮效應(yīng)的大小僅取決于新舊梁拼接完成到計(jì)算時(shí)間這一段時(shí)間內(nèi)的收縮差。

表1 不同拼接時(shí)間收縮效應(yīng)比較

圖9 收縮效應(yīng)下軸力對比（單位：kN）

圖10 收縮效應(yīng)下橫向彎矩對比（單位：kN·m）

圖11 收縮效應(yīng)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(yīng)分別降低約12.4%、22.0%、36.4%，且隨著拼接時(shí)間的增長，減小的速度變緩，這是因?yàn)榛炷潦湛s、徐變應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律特性決定的，新梁澆筑完成后，前期收縮徐變量大，隨著時(shí)間的增長，增長速度減緩，此時(shí)再延長拼接時(shí)間，對減小收縮徐變效應(yīng)的作用會變小。然而延長拼接時(shí)間會對工期造成影響，提高工程成本，因此在實(shí)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(shí)間，以達(dá)到最平衡的實(shí)際效果。

4 結(jié) 語

本文以珠江路改擴(kuò)建工程中的一座簡支小箱梁橋?yàn)槔谄磳挊蛑锌紤]收縮徐變效應(yīng)的影響，建立空間梁格有限元模型進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：（1）通過不同拼接方式的影響分析，可以發(fā)現(xiàn)收縮徐變作用下新舊梁受力的一些發(fā)展規(guī)律：由混凝土收縮徐變效應(yīng)引起的混凝土軸力具有跨中大支點(diǎn)處小的特點(diǎn)，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(chǎn)生的軸力主要由連接處的主梁承擔(dān)；而對于彎矩，由收縮徐變效應(yīng)引起的橫橋向彎矩在1/4跨處達(dá)到最大，且新舊梁的彎矩方向相同；

（2）通過不同拼接時(shí)間的選擇，通過計(jì)算表明，延長新、舊主梁的拼接時(shí)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(yīng)。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(yīng)分別降低約12.4%、22.0%、36.4%，且隨著拼接時(shí)間的增長，減小的速度變緩。因此，要結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮工期、工程造價(jià)等其他因素，確定合理的新梁拼接時(shí)間，以達(dá)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(shè)計(jì)工作。