混凝土收缩徐变对高、低塔混合梁斜拉桥成桥状态的影响分析.pdf

混凝 土收缩徐变对 高、 低塔混合梁斜拉桥成桥状 态的影响分析 杜文斌 2 7 混凝土收缩徐变对高、 低塔混合梁斜拉桥 成桥 状态 的影响分析 杜 文斌 ( 中铁 八局 集 团有 限公 司 ， 四川 成 都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ：为了解 混合梁斜拉桥混凝土收缩徐变对其成桥 状态 的影 响， 以某 主跨 5 2 0 m， 两 桥塔塔 顶高差 8 6 ． 5 m， 主跨为钢 箱 梁 、 边跨 为混凝土箱梁的混合梁斜拉桥为背景 ， 采用 基于 等效弹性 模量及 有效 初应变 的方法 ， 分析混 凝土 收缩徐变对 边跨 混 凝土梁段线形及主跨钢箱梁线形 、 应力及索力 的影 响 。结果表 明 ： 混凝 土收缩徐 变对全桥 线形及 主梁应 力影 响较大 ， 其 中混 凝土边跨挠度最大增幅达 3 0 ， 主梁应力最大差值约 5 MP a ； 对全桥 索力影 响不 大 ； 顺桥 向、 竖向塔顶位移 均约有 2 c m差别 。 关 键 词 ：斜 拉桥 ； 混合 粱 ； 桥 塔 ；混 凝 土 收 缩 徐 变 ； 成 桥 状 态 ； 应 力 ； 线 形 中图分类号 ：U 4 4 8 ． 2 1 6 ； U 4 4 8 ． 3 4 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 —7 7 6 7 ( 2 0 1 4 ) O l 一0 0 2 7 —0 4 1 引 言 随 着桥 梁 技 术 的发 展 ， 各 种 新 形式 的桥 梁 结构 相继 出现 ， 其 中混 合 梁 桥 的应 用 越来 越 广 泛 。在实 际工程中， 收缩徐变一直是混凝土结构构件需要考 虑 的一 个 重 要 问题[ 1 ] ， 混 合 梁 桥 中混 凝 土 梁段 的 收缩 徐 变 对 桥 梁 结 构 有 着 不 容 忽 视 的 影 响口 。 ’ “ ] 。 国内、 外很多学者都对这个问题做过研究 。李传 习 等人_ 1 定量分析 了混合梁斜拉桥混凝土梁段 收缩 徐变对其成桥状态的影响 ； 徐敏 3 ] 研究 了施工过程 中依存效应对高、 低塔混合梁斜拉桥主梁 、 桥塔和索 力的影 响。但这些文献研究只针对一般混合梁梁式 桥或 两塔 高度 相差 较 小 的混 合 梁 斜拉 桥 ， 没 有针 对 高、 低塔高度相差较大的混合梁斜拉桥 ， 进行混凝土 梁段收缩徐变对其成桥影 响的研究 。 以某桥塔高度相差较大的高、 低塔混合梁斜拉 桥为例 ， 混凝土收缩徐变采用基于等效弹性模量 以 及有效初应变的方法进行分析 ， 探讨混合 梁斜拉桥 边 跨混 凝 土梁段 的收缩徐 变 对边跨 混凝 土 梁段 线形 以及 主跨钢 箱梁 线形 、 应 力 和索力 的影 响 。 2工 程概 况 某大桥结构形式为高、 低塔双索面混合梁斜拉 桥 ， 其主跨跨径为 5 2 0 m。主跨为钢箱梁 ， 采用封闭 式流线型扁平钢箱梁和正交 异性板钢桥面 ， 箱梁高 3 ． 2 m， 全宽 3 1 m。边跨采用预应力混凝土箱梁， 其 中低 塔侧 边跨 混凝 土箱 梁跨 径布 置为 ( 3 9 +4 8 +5 3 ) m； 高塔侧 边跨 混 凝土 箱梁 跨径 布 置为 ( 5 3 + 5 4 8 ) m。桥塔为下塔柱分离 、 上塔柱内收的酒瓶形 ， 高塔 高 2 1 2 m， 矮塔 高 1 2 5 ． 5 m， 两桥 塔塔 顶高度 相差 8 6 ． 5 m。混 凝 土 箱 梁 与 桥 塔 均 采 用 C 5 0混 凝 土 。 大桥 立 面布置 示 意如 图 l 所示 。 图 1大桥 立面布 置示意 单位 ：ri i 3 混凝 土梁 段收 缩徐变 计算 基本 理论 与方 法 由于主梁的各个节段混凝土具有不 同的龄期 ， 在有限元分析 中必须仔细 考虑 混凝土 收缩徐 变效 应。本文的有限元分析中引入 了等效弹性模量以及 有效初应变的概念 ， 等效弹性模量考虑 的是 当前阶 段 的时 间效应影 响 ， 而有 效 初 应 变考 虑 的是 以往 阶 段 对 当前 时 间段 的影 响 。 首先考虑单轴应力下收缩徐变效应的混凝土应 力～应变关系 ， 从而推导多轴应力下徐变等效荷载 的计算公式r 1 。混凝土单轴应力～时间关系如图 2 所示 。通过分析图 2 ， 可得 △ 在 △ 时间段引起的 收稿 日期 ： 2 0 1 3 —0 8 —2 8 作者简 介： 杜文斌 ( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 8 4年毕业 于石家庄铁道 大学铁道工程 专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 7年 毕业于华南理工 大学交通与土 木工程专业 ， 工程硕士( E — ma i l ： 7 9 0 4 7 6 9 6 5 @q q ． c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 世 界 桥 梁 2 0 1 4 ， 4 2 ( 1 ) 应变增量( 弹性应变增量+徐变应变增量) 为 ： r一1 dr{a ( r ) F 一~E + ， r ) ] d r ≈ J ⋯ d ( r ) 一 ⋯ ⋯ 等[ 1 + ( ) ] 一 -~E l + p ~ ( tl ,t i- i ) ] 其 中 图 2混凝土单轴应力～时间关系 洲r P 2一— 式中， E为混凝土弹性模量； 为混凝土徐变系数。 △ f 时间段 的总应 变增 量 为 ： △ ￡ 一 [ 1 +ID ( ￡ 1 ) ]+ ∑ [ ( ， ． 专 卜 ( ， t j 专 ) ] J一 1 一 整理可得 当前时间段 △ ￡ 的应力～应变关 系增 量 表达 式为 ： △ ￡ 一 + L 式 中 ， E 为 按 龄 期 调 整 的 有 效 弹 性 模 量 ． ￡ l 为 初 应 变 。 若 同时考 虑 收缩效 应 ， s 可写 为 ： 一 ∑ [ ( ￡ ， t j 号 ) 一 ( ， t j - 专 ) ] +△ ￡ J= L 一 式 中， △ e 一e ⋯E p ( t 一t ) 一fl ( t 一t ) ]为当前时 间段 △ ￡ 的收缩 应 变 增 量 ； 口为 混 凝 土 收 缩 系 数 。 为 混凝 土极 限 收缩 变 形 ； t 为 收 缩 开始 时 的混 凝 土 龄期 。 4 混合梁斜拉桥边梁混凝 土收缩徐变对成桥状态 的 影响分 析 4 ． 1 有 限元 建模 为 了对 比收 缩 徐 变对 结 构 成桥 状 态 的影 响 ， 采 用桥 梁结 构有 限元 计算 软件 MI DAS C i v i l 建 立 2个 全桥模型， 其 中一个考虑混凝土收缩徐变 ， 另一个不 考虑 混凝 土收 缩徐 变 。 考虑收缩 徐变 模 型 的 C 5 0混 凝 土强 度 为 5 0 MP a ， 环境 年 平 均 相对 湿 度 取 8 O ， 构 件 理 论 厚 度 由程序 自动计 算得 到， 程 序计算 所得 徐变 系数 ～ 时 间关 系 如 图 3所 示 ， 收 缩 应 变 ～ 时 间关 系 如 图 4 所示 。 籁 垛 嫘 时间／ d 图 3徐变 系数 ～时 间关 系 图 4收 缩 应变 ～ 时 间 关 系 主梁采用梁单元模拟 ， 斜拉索采用桁架单元模 拟 ， 塔 和I 临时支 撑 支架 采 用 空 间 杆件 结 构 模 拟 。全 桥共 5 1 3 个梁单元 ， 1 2 4个桁架单元 ， 共计 6 3 7 个单 元 。桩 基 为一般 支承 ， 索梁 为 刚性连 接 。 4 ． 2 结果 分析 通过计算 ， 成桥状态在恒载作用下 ， 4号桥塔侧 边 跨 、 主跨 箱梁 在是 否 考 虑 混凝 土收 缩 徐 变 影 响下 的挠度 分别 如 图 5 、 图 6所示 。 从 图 5可 以看 出 ， 考 虑收 缩徐 变 时 ， 4号 桥 塔侧 边 跨箱 梁挠 度 会 增 大 ， 最 大增 幅 达 3 O ， 可 见 收缩 徐变对边跨混凝土箱梁存在较大影响。从 图 6可以 看 出， 考虑收缩徐变时， 中跨上挠略偏小， 靠近中跨 跨 中下挠 略偏 大 。对 比图 5 、 图 6可见 ， 收缩 徐 变对 边跨、 主跨挠度的影响规律相似 ， 但对主跨挠度 的影 响程 度较小 。 成桥 状 态在 恒 载 作用 下 ， 是 否 考虑 混 凝 土 收缩 徐 变 影响 的主梁 应力 差 如图 7所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土 收缩徐变对 高 、 低塔混合梁斜拉桥成桥状态 的影 响分析 杜文斌 2 9 昌 ＼ 雷 趟 耀 ∞ 莹 ＼ 顺桥向坐标／ 瑚 注：图中顺桥向坐标以4 号桥塔处主梁节点为零点起算。 图 5 4号桥 塔侧 边跨箱梁挠度 顺桥向坐标／ m 注：图中顺桥向坐标以4 号桥塔处主梁节点为零点起算。 图 6 4号桥塔侧主跨箱梁挠度 顺桥向坐标／ m 注：应力差为考虑收缩徐变状态一 不考虑收缩徐变状态，图中顺桥向 坐标以3 号桥塔处主梁节点为零点起算。 图 7成 桥 状 态 下 主 梁 应 力 差 从 图 7可以看 出， 在斜拉索初张力与索力保持 不变的情况下 ， 混凝 土收缩徐变使主梁应力偏差较 大， 在靠近桥塔处特别明显 ， 最大偏差约 5 ． 1 0 MP a 。 成桥状态在恒载作用下， 是否考虑混凝土收缩 徐变 影 响的 4号桥 塔塔 顶位 移如 表 1 所 示 。 从表 1 可以看 出， 由于收缩徐变效应的存在 ， 导 致 4号桥塔塔顶顺桥 向位移存在 2 ． 5 C IT I 左右的差 表 1 4号桥 塔塔顶位 移 c m 注 ： 顺桥向变形以偏向岸侧 为正 。 别 ， 竖向位移也存在约 2 c m 的差别 。 成 桥 状态 在 恒 载作 用 下 ， 是 否考 虑 混 凝 土收 缩 徐 变影 响 的 4号 桥塔 主跨 索力 如 图 8所示 。 互 ＼ 憾 图 8 4号 桥 塔 主 跨 冢 力 从 图 8可 以看 出 ， 是 否 考虑 混 凝 土梁 段 收缩 徐 变对 4号桥塔主跨索力影响不大。 由上 述 分 析 可 以发 现 ， 混凝 土 收 缩徐 变 对 全桥 索力影响不大 ， 斜拉索起到“ 传递” 收缩徐变的作用 。 对于高次超静定结构桥梁， 混凝 土的收缩徐变效应 通过斜拉索“ 传递” 到桥塔 ， 导致桥塔发生位移 ； 桥塔 收缩徐变效应会通过斜拉索传递到主梁 ， 二者相互 耦合 。通过图 6可见主跨钢箱梁线形有 5 c m 左右 的差别 ， 通过前面的分析可知该差别是全桥混凝土 收缩徐变效应耦合后通过桥塔 的变形 ， 由中跨的斜 拉索传递到该段箱梁的。因此混凝土收缩徐变对全 桥线 形有 着不 容忽 视 的影响 。 5 结 论 ( 1 )对高、 低塔混合梁斜拉桥 ， 考虑混凝土收缩 徐变影响后 ， 主跨钢箱梁线形有 5 c m左右 的变化 ， 可见 混凝 土 收缩 徐 变 对 全 桥 线 形 有 着 不 容 忽 视 的 影 响 。 ( 2 )在斜拉索初 张力与索力 保持不变 的情况 下 ， 考虑混凝土收缩徐变使主梁产生应力偏差较大， 在靠近桥塔处特别明显， 最大偏差约 5 ． 1 0 MP a 。 ( 3 )考虑混凝 土收缩徐变 对全桥索力 影响不 大， 可见斜拉索起到了“ 传递” 收缩徐变的作用。 ( 4 )考虑 混 凝 土 梁段 收缩 徐 变 ， 塔 顶位 移 相 差 2 ． 5 9 c m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 世 界 桥 梁 2 0 1 4， 4 2 ( 1 ) 参 考 文 献 ： [ 1 ]马牛静 ， 王荣辉 ， 李平杰 ．预应 力混 凝土斜拉桥施工过程 中的收缩徐变 效应 [ J ] ．铁 道学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 4 ) ： 9 0 —9 5 ． [ 2 ]苏成 ， 陈兆栓 ， 徐郁峰 ， 等．预应力混 凝土斜 拉桥 收缩 徐变效应的概率分析口] ．华南理工大学学报 ( 自然科 学 版) ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 7 ) ： 8 ～1 4 ． [ 3 ]柯敏勇 ， 刘海祥 ， 陈灿明 ， 等．高强混凝 土指 数型收缩 徐 变预测模 型及工程应用 [ J ] ．桥 梁建设 ， 2 0 1 1 ， ( 4 ) ： 4 9 — 5 2 ． [ 4 ]李兴 民．施工过程 对箱梁 剪力滞 效应影 响分 析 [ J ] ．桥 梁建设 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 ) ： 3 0 —3 4 ． [ 5 ]裴炳志 ， 叶见曙 ， 汪 剑．地锚式斜拉桥 收缩徐变效应 测 试与分析 [ J ] ．桥梁建设 ， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 2 5 —2 9 ． [ 6 ]马诚 ， 陈惟珍．P C桥梁 预应力 和徐变耦合 时变效应 的 数值模拟 [ J ] 桥梁建设 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 3 ) ： 7 7 —8 2 ． [ 7 ]薛照钧．高铁 特大跨 混凝 土连 续梁 徐变 设计 应用 研究 [ J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 0 ， ( 4 ) ： 2 3 —2 6 ． [ 8 ]贾布裕 ， 颜全 胜 ， 余晓琳．考虑滑移和剪力滞 的组合梁斜 拉桥 徐 变 分 析 [ J ] ．深 圳 大 学 学 报 ( 理 工 版 ) ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 3 6 — 1 4 2 ． [ 9 2饶瑞 ， 王荣辉 ， 甄晓霞．工程 中的徐变外部不确定性分 析及 应用[ J ] ．土木建 筑与环 境工 程 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 8 9 — 9 3． [ 1 O ]颜东煌 ， 田仲初 ， 李学文 ， 等．混凝土桥梁收缩徐变计算 的有 限元方法 与应用 [ J ] ．中国公路学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 ( 1 7 ) ： 5 5— 5 8． [ 1 1 ]罗世东 ， 饶少 臣．四线铁 路钢箱混合梁弯斜 拉桥设计研 究[ J ] ．中国铁道科学 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 5 ) ： 3 2 —3 7 ． [ 1 2 ]李传 习， 朱潇潇 ， 陈富强．独 塔混合 梁斜拉 桥成桥状 态 的影 响参数 分 析 [ J ] ．广 西科 学 ， 2 0 0 8 ， 1 5 ( 3 ) ： 2 8 8 — 29 3． [ 1 3 ]徐敏．高低塔混合梁斜拉 桥方案设 计及其 结构计 算 分析研究 ( 硕士 学位论 文) E D] ．成 都 ： 西南 交通 大学 ， 2 00 6． [ 1 4 ]项海帆．高等桥 梁结 构理论[ M] ．北 京 ： 人 民教育 出版 社 ， 2 0 01 ． An a l y s i s o f I n f l u e n c e o f Co nc r e t e S h r i nk a g e a n d Cr e e p o n Co mpl e t e d Br i d g e S t a t e o f Hy b r i d Gi r d e r Ca b l e - S t a y e d Br i d g e wi t h Hi g h - Lo w Py l o n s D 【 ， W n - b i n ( Ch i n a Ra i l wa y Ei g h t h En g i n e e r i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To a n a l y z e t h e i nf l ue n c e o f c on c r e t e s hr i n ka g e a nd c r e e p on t h e c o mpl e t e d br i d g e s t a t e of t h e hyb r i d g i r de r c a b l e — s t a y e d br i d ge，a hy br i d g i r d e r c a b l e — s t a ye d b r i dg e wi t h a ma i n s pa n o f 52 0 m wa s t a ke n a s t h e s t ud y ba c kg r ou nd ．The br i d ge ha s t wo p yl o ns ，a nd whe n me a s ur e d f r o m t h e t o p s o f t h e t wo p y l o n s ，t h e r e i s a n 8 6 ． 5 m h e i g h t d i f f e r e n c e ．Th e ma i n s p a n a d o p t s s t e e l b o x g i r d e r wh i l e t he s i de s p a n s a r e c on c r e t e bo x g i r de r ．The me t ho d ba s e d o n e q ui v a l e nt e l a s t i c m o d u— l us a n d e f f e c t i v e i n i t i a l t e ns i on i n g wa s e m p l oy e d t o a n a l y z e t h e i nf l u e n c e o f c on c r e t e s h r i nka ge a n d c r e e p o n t he ge o m e t r y o f t h e c o nc r e t e g i r de r s e c t i o ns i n t he s i d e s pa ns a nd t h e d e f o r ma t i on o f t he s t e e l b ox gi r d e r i n t he ma i n s pa n，t h e c a b l e f o r c e s a nd t he s t r e s s i n t he b ox g i r de r ．Th e r e s u l t s o f t he a n a l ys i s d e mo ns t r a t e d t ha t t h e c o nc r e t e s h r i nka ge a n d c r e e p e xe r t e d g r e a t i n f l ue nc e on t h e g e — o me t r y o f t he o v e r a l l br i d g e a nd t he ma i n g i r de r s t r e s s，s p e c i f i c a l l y，t h e m a x i mum i nc r e a s e r a t e o f t h e d e f l e c t i o n o f t h e c o n c r e t e s i d e s p a n s wa s u p t o 3 0 ％ a n d t h e ma x i mu m d i f f e r e n c e v a l u e o f t h e ma i n gi r d e r s t r e s s wa s a bo ut 5 M Pa，b ut t he i nf l ue n c e on t he c a bl e f o r c e s o f t h e o ve r a l l br i d ge wa s no t gr e a t ； t he r e wa s a 2 c m d i f f e r e n c e be t we e n t he py l o n t o p di s pl a c e m e n t i n t he l on gi t u d i na l b r i d g e di r e c t i o n a nd t ha t i n t he ve r t i c a l d i r e c t i o n． Ke y wo r d s ：c a b l e — s t a y e d b r i d g e ；h y b r i d g i r d e r ；p y l o n；c o n c r e t e s h r i n k a g e a n d c r e e p；c o mp l e — t e d br i d g e s t a t e；s t r e s s；ge ome t r i e a l s h a pe ( 编辑 ： 赵兴雅 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m