鄭 嬋

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100000)

在如今的公路、鐵路橋梁建設(shè)中，混凝土剛構(gòu)橋因其剛度大、施工技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛運(yùn)用，同時(shí)其跨徑也在不斷增大，在運(yùn)營使用過程中，出現(xiàn)了主梁跨中下?lián)霞哟?、梁體開裂等問題，影響到了橋梁本身的使用壽命[1]。收縮徐變作為混凝土劣化的時(shí)變材料特性，對(duì)于混凝土橋梁長期服役性能有著至關(guān)重要的影響[2，3]。

運(yùn)用midas Civil有限元分析軟件，建立連續(xù)剛構(gòu)橋全過程施工有限元模型，分析不同收縮徐變計(jì)算模型下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得出相互之間的結(jié)構(gòu)受力結(jié)果區(qū)別。

1 工程實(shí)例

慶嘉連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為50 m+86 m+50 m，箱頂寬13 m，底寬7.5 m，懸臂長度3.0m，箱梁根部斷面梁高為5.2 m，其余梁底下緣按1.8次拋物線變化。主梁采用C50混凝土，主梁預(yù)應(yīng)力鋼束均采用鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpkMPa。

2 不同收縮徐變模型計(jì)算理論

徐變效應(yīng)是混凝土材料應(yīng)力不變下應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象，混凝土收縮則因其影響因素多、變化大，故難以準(zhǔn)確定量描述。當(dāng)前許多學(xué)者已經(jīng)很提出了較多的收縮徐變計(jì)算模型[4]，不同的模型有著其獨(dú)有的使用條件，參考規(guī)范及文獻(xiàn)，此處選取CEB-FIP模型[5]、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(JTG D62—2004)模型[6](以下簡(jiǎn)稱JTG D62—2004模型)、歐洲模型[7]、ACI[8]模型作為對(duì)比對(duì)象。

3 有限元模型建立

采用midas Civil軟件建立有限元分析模型，主梁及墩柱采用空間梁?jiǎn)卧M，主梁與墩柱采用剛性連接，墩柱底部為固結(jié)約束，主梁支座選用帶有剛度系數(shù)的彈性連接模擬，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工按照移動(dòng)掛籃、懸臂澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力順序進(jìn)行模擬，收縮徐變模型通過軟件自帶模塊進(jìn)行相應(yīng)輸入。全橋離散為135個(gè)節(jié)點(diǎn)，126個(gè)單元。

為了方便分析，此處將CEB-FIP模型、JTG D62-2004模型、歐洲模型、ACI模型分別命名為模型1、模型2、模型3、模型4，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

4 不同模型下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

4.1 施工期結(jié)構(gòu)變形分析

為了得出不同模型作用下施工期的影響結(jié)果，選取最大懸臂段以及成橋階段收縮徐變效應(yīng)下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，不考慮其他荷載作用。由于橋梁跨徑對(duì)稱，左右半橋?qū)嶋H基本是同時(shí)施工，因此選取半跨進(jìn)行結(jié)果提取，成橋階段選取所有主梁節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)按照從左至右依次編號(hào)，其變形結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 最大懸臂節(jié)段變形圖

圖2 成橋階段變形圖

根據(jù)圖1變形曲線圖所示，在施工最大懸臂段時(shí)，懸臂位置節(jié)段總體變形量由大到小依次為模型4、模型2、模型1、模型3，相較于模型3，模型4變形增加了約3 mm，增幅接近50%，說明模型4對(duì)于變形影響最大，模型3最?。辉?2號(hào)～25號(hào)節(jié)點(diǎn)之間，靠近墩柱位置節(jié)段模型4變形最小，模型3最大，可以看出懸臂端的下?lián)鲜沟枚罩?jié)段出現(xiàn)反拱趨勢(shì)，墩頂截面頂板承受較大負(fù)彎矩，易出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)；模型1與模型2整體趨勢(shì)基本一致，數(shù)值也較為接近，選擇任一模型對(duì)于變形結(jié)果無顯著影響。

成橋狀態(tài)下，不同模型之間變形趨勢(shì)與最大懸臂階段相同，由于1#、2#墩柱高度不同，橋墩自身收縮徐變會(huì)導(dǎo)致橋墩沉降不一致，使得跨中左右節(jié)段變形不對(duì)稱，因此對(duì)于高低墩剛構(gòu)橋來說，需要關(guān)注左、右半橋高程變化情況，針對(duì)不同變形進(jìn)行相關(guān)預(yù)拱度的調(diào)整。

4.2 運(yùn)營期結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

(1)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

針對(duì)四種不同的收縮徐變模型，考慮施工成橋后十年運(yùn)營時(shí)間，選取主梁左右節(jié)段收縮徐變效應(yīng)下變形結(jié)果繪制曲線圖。從圖3中可以看出，十年運(yùn)營期，節(jié)段變形由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，相比于施工期變形量對(duì)比結(jié)果，模型1長期效應(yīng)比短期效應(yīng)更為顯著，最大變形接近30 mm；模型4下結(jié)構(gòu)最大變形處比成橋只增加約3.8 mm，此結(jié)果用來作為后期養(yǎng)護(hù)評(píng)估較為冒險(xiǎn)，不建議采用；模型2與模型3長期效應(yīng)結(jié)果較為接近，無明顯區(qū)別。

圖3 運(yùn)營期結(jié)構(gòu)變形圖

(2)結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析

對(duì)于剛構(gòu)橋的來說，可選取各跨跨中及墩頂附近等位置截面作為分析對(duì)象。提取截面彎矩?cái)?shù)值見表2，可以看出， 任意截面位置處， 模型1的彎矩效應(yīng)值最大，跨中合龍段D-D截面彎矩效應(yīng)值由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，墩頂截面彎矩效應(yīng)值由大到小依次為模型1、模型4、模型2、模型3，模型2與模型4總體數(shù)值較為接近，模型3最小，在實(shí)際應(yīng)用過程中，若結(jié)構(gòu)受力方面保守考慮，可選擇模型1作為計(jì)算模型。

表2 不同模型下的截面彎矩值

判斷混凝土結(jié)構(gòu)是否良好，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值是否滿足要求來進(jìn)行評(píng)估，為了對(duì)比徐變效應(yīng)的影響，忽略因約束而產(chǎn)生的附加二次應(yīng)力，只考慮有限元模型中徐變一次工況下的受力情況，如圖4所示。從圖中可以看出，徐變一次工況下，結(jié)構(gòu)整體仍處受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為模型1中的13.25 MPa，最小壓應(yīng)力為模型3中的6.97 MPa，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來說，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此針對(duì)于以應(yīng)力作為評(píng)估對(duì)象，考慮后期較為保守估計(jì)的前提下，可選用模型3來所謂計(jì)算依據(jù)。同時(shí)對(duì)比全橋受力情況，不同模型之間區(qū)別較小，由此可以看出徐變模型不影響應(yīng)力分布情況。

圖4 不同模型下的徐變一次結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖/MPa

5 結(jié) 論

基于建立考慮不同收縮徐變模型下的連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型，選取最大懸臂階段、成橋狀態(tài)以及十年運(yùn)營期作為計(jì)算時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)比分析各工況下的主梁變形及受力結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)最大懸臂階段總體變形量由大到小依次為模型4、模型2、模型1、模型3，模型4對(duì)于變形影響最大，模型3最小，模型1與模型2整體基本能保持一致；對(duì)于高低墩剛構(gòu)橋需要根據(jù)不同變形調(diào)整預(yù)拱度設(shè)置。

(2)十年運(yùn)營期，節(jié)段變形由大到小依次為模型1、模型2、模型3、模型4，模型1長期效應(yīng)比短期效應(yīng)更為顯著，模型4作為后期變形預(yù)測(cè)指標(biāo)較為冒險(xiǎn)。

(3)選用模型3可作為評(píng)估結(jié)構(gòu)受力情況的保守預(yù)測(cè)手段，同時(shí)不同徐變模型所得的應(yīng)力分布情況基本相同，影響可忽略不計(jì)。