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(xué)土木工程學(xué)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yù)測精確性，結(jié)果表明，CEB-FIP90模型具有最高的預(yù)測精度，而ACI209模型預(yù)測精度最差。李寧[7]對徐變效應(yīng)影響下的連續(xù)剛構(gòu)橋附加撓度及應(yīng)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(yīng)。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(yīng)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(yīng)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(yù)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(xué)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(xué)者推導(dǎo)得到的收縮徐變預(yù)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(yù)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(xué)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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》所參考的收縮徐變預(yù)測模型為CEB-FIP(1990)模型，因此關(guān)于收縮徐變效應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)。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(yīng)，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(yīng)。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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力影響

為對比2種濕度下連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值置于表2，以拉應(yīng)力為正。

圖4 主梁應(yīng)力分布

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

由表2中跨中應(yīng)力數(shù)值可看出，收縮徐變效應(yīng)對主梁上、下邊緣皆產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著成橋時間的增加，混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力大于自重，而收縮徐變產(chǎn)生的下緣應(yīng)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(yīng)力為0.02，0.08MPa，雖在高濕環(huán)境下上緣應(yīng)力稍高于低濕環(huán)境，但兩種環(huán)境下的應(yīng)力變化僅為0.06MPa。而下緣應(yīng)力分別為3.01，2.28MPa，兩種環(huán)境下的應(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。

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(yù)應(yīng)力張拉方面 在混凝土強度滿足預(yù)應(yīng)力張拉的規(guī)定要求后，適當延長張拉齡期，使得預(yù)應(yīng)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(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生較大收縮徐變，從而造成預(yù)應(yīng)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(yīng)力效應(yīng)不同，下緣除了墩梁固結(jié)處大部分都為拉應(yīng)力，而上緣在接近中跨跨中和邊跨支座處會出現(xiàn)壓應(yīng)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(yīng)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。