组合桥面板混凝土收缩自应力分析.pdf

5 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 4期 ( 总第 2 0 2期 ) DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 4 0 2 1 组合桥面板混凝土收缩 自应 力分析 步龙 ( 同济大学桥梁 工程 系， 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 为了了解混凝土收缩对钢一混凝土组合桥面板受力性能的影响， 本文通过对平钢板一混凝土组 合板混凝土收缩 自应力进行研究， 通过建立板壳一实体有限元混合模型， 计算分析钢板厚度、 配筋率、 构件理论厚 度等各种参数变化下的钢一混组合结构的收缩 自应力， 提出该种形式下降低混凝土收缩自应力的优化措施。 【 关键词】 组合桥面板； 混凝土收缩； 参数优化； 有限元 【 中图分类号】 T U 3 7 8 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 04 0 0 5 8 04 目前桥 梁 中桥 面板 主要类 型有 混 凝土 桥面 板 和 钢桥面板 ( 或称正交异性桥面板) 。传统的混凝土 桥 面板 由于 自重 大 的缺点 限 制 了其 自身及 整座 桥 的 跨越能力 ； 许多有重交通荷载通行的钢桥面板在使用 数年或十几年后相继出现了疲劳破坏现象。近年来 随着钢 一 混凝土组合结构的广泛应用 ， 也有很多学者 对组合桥 面板进行 了相应研究 。 国内外很多学者提出了各种不同钢一混组合桥 面板形式 ， 如杨勇 的平钢板 一混凝土组合桥面板 、 邵旭 东 的 新 型钢 一R P C组 合 桥 面板 结 构 ， 韩 国 的 H y e o n g Y e o l K i m 的压型钢 板 一混凝土组合板 ， 李 杰 提 出的正交异性钢 一 混凝土组合桥面板等 。 虽然钢 一 混凝土组合桥面板的研究较多 ， 但是混 凝土收缩对组合桥面板整体的受力性能影响并没有 相应具体分析。本文针对平钢板一混凝土组合桥面 板进行研究 ， 研究在钢板厚度、 混凝土板配筋率、 构件 理论厚度等 3个参数变化下， 混凝土收缩 自应力 的变 化情况， 提出可以降低混凝土收缩 自应力相应措施。 对此 ， 本文通过建立 A N S Y S 板壳 一实体有 限元模型， 通过对模型中不同参数的变化 ， 分析各种参数变化下 混凝土收缩对桥面板整体受力情况的分析， 并通过参 数 的对 比分 析 ， 得 出相 应 的优 化 措 施。有 限 元计 算 中， 混凝土收缩模型采用我国现行 J r G D 6 2 2 o o 4 公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 收缩 模型 ， 收缩绝对龄期假设为 7天， 并换算成等效温度荷 载 ， 在有限元软件 A N S Y S中通过温度荷载实现。 1有限元模型 平钢板 一 混凝土组合 板截 面形式如 图 1 所 示 ， 混 凝土在上 ， 高度 固定 为 1 0 0 m m， 钢板在 下 ， 厚度是 一变 化参数； 混凝土与钢板之间的连接假定为刚性连接。 选取 截 面形 式 为 1 0 0 m m X l O O m m1 0 0 ra m 的立 方体平钢板 一混凝土组合板作为标准有限元模型如 图2 所示。在 A N S Y S 有限元模型中， 混凝土采用实体 单元模拟， 钢梁采用板壳单元模拟， 钢筋采用杆单元 图1 平钢板 混凝土组合板截面 11 t 2 标准有限元模型 模拟 ， 混凝土和钢板之间为刚性连接； 混凝土采用 C 6 0 混凝土， 混凝土容重为 2 6 k N m ， 弹性模量为 3 6 X 1 0 M P a ， 泊松 比为 0 2 ， 线性 膨 胀 系 数 为 1 01 0 一。 钢材 采 用 了 Q 3 4 5 q d ， 容 重 为 7 8 5 k N m ， 弹性 模 量 2 0 6 X 1 0 ， 泊松 比为 0 3 ， 线 膨 胀 系数 为 1 2 X 1 0 。 钢筋 采用 H R B 3 3 5 ， 容 重 为 7 8 5 k N m ， 弹性 模 量 2 01 0 ， 泊松比为0 3 ， 线膨胀系数为 1 21 0 。模 型中， 在立方体下表面四条边节点均施加竖向约束， 其中两条边节点施加了水平向约束， 如图 2 所示。 混凝土板整体收缩 ， 底部钢板对于混凝土板有约 束限制作用， 带来混凝土一部分受拉 ， 混凝土受拉性 能又较弱 ， 故 主要 的关 键研究点 是组合结 构 中混凝土 最大拉应力 ， 本文主要对于混凝土拉应力进行分析。 2 不 同钢板 厚度对 混凝土收缩 自应 力影 响 采用标准模型， 模型中无钢筋， 仅仅变化模型中 钢板厚度 ， 计算出龄期 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d 、 1 年、 1 0年混凝 土收缩作用下 ， 混凝土最大拉应力。计算结果如图 3 所示 ， 图中可 以看 出随着 龄期增加 混凝 土拉应 力也相 应增加 ， 一年之 内混凝土拉应力随着龄期变化 明显 ， 但是一年后混凝土拉应力增长幅度已经不大 ， 龄期十 年的混凝土最大拉应力比龄期一年混凝土最大拉应 力增加约 1 3 8 。 为 了更好 看 出钢板 厚度 对 混凝 土收 缩 自应 力 的 影响 ， 把所有相 同龄期下 不 同板厚 的混凝 土拉应 力增 加值绘制在图4中， 图中可以看出钢板厚度对混凝土 步龙 ： 组合桥面板混凝土收缩 自应力分析 5 9 龄期， d 图3 不同钢板厚度混凝土拉应力随龄期变化 拉应力增加在板厚较小时曲线增加幅度较大， 随着板 厚 的增加到 1 0 m m 以后 曲线 明显平 缓 ， 对 混凝 土应 力 影响减小。钢板厚度的增加， 必然会导致钢板钢度的 增加， 在混凝土收缩时钢板对混凝土的约束作用也会 增加 ， 必然会导致混凝土拉应力的增加， 钢板越厚导 致混凝土收缩作用下混凝土承受更大的拉应力， 对整 体结构不利 ， 龄期越大危害越明显。 钢板厚度 m m 图4 相同龄期不 同板厚混凝土应力差值 曲线 3 不 同配筋率对混凝土收缩 自应 力影 响 采用标准模型的基本参数， 选取钢板厚度为 6与 1 2 ra m的两种模型进行分析， 模型中钢筋用 L I N K 8单 元模拟， 钢筋分为单 向与双向配筋两种方式 ， 龄期统 一 选用 2 8 d 。单 向配筋的模型， 分析 中分析顺钢筋 向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋 向的混凝土最大拉应 力； 双向配筋模型， 两侧配筋率取相同数值 ， 故两侧混 凝土应力相同只取一侧混凝土最大拉应力进行分析。 当平钢板厚度为6 m m时， 龄期 2 8 d时单向配筋与 双向配筋下混凝土最大拉应力如图5所示。图中可以 看出， 随着配筋率的增加， 双 向配筋的混凝土拉应力 以及单向配筋的垂直钢筋向的混凝土拉应力都是先 降低后增加 的趋势， 且拐点均在配筋率为 0 2 8 时； 单向配筋的顺钢筋向的混凝土拉应力随着配筋率的 增加呈现降低的趋势。在配筋率小于 1 5 6 时， 无论 单向配筋还是双向配筋的试件混凝土最大拉应力均 小于无配筋时的试件； 当配筋率高于 1 5 6 时， 配筋 的混凝土拉应 力 均大 于素 混凝 土 时混 凝土 的最大 拉 应力。双向配筋时， 在配筋率为 0 2 8 时， 混凝土最 大拉应 力 较 素 混 凝 土 时 混 凝 土 最 大 拉 应 力 减 小 了 3 3 3 ； 单向配筋时， 在配筋率为 0 7 0 时， 顺钢筋 向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相 同 ， 此 时混凝土最 大拉应力 较混凝 土时混凝 土最 大 拉应力减小 了 1 6 8 。 当平钢板厚度为 1 2 m m时， 龄期 2 8 d时单 向配筋 与双向配筋下混凝土最大拉应力如图6所示。图中可 以看出， 与图5的曲线趋势基本相同， 但是图6中曲线 拐点明显上移且配筋对混凝土最大拉应力的降低趋 势已经不明显； 随着配筋率的增加， 双 向配筋的混凝 土拉应力以及单 向配筋的垂直钢筋 向的混凝土拉应 力都是先降低后增加的趋势 ， 且拐点均在配筋率为 0 1 3 时； 单向配筋的顺钢筋 向的混凝土拉应力随着 配筋 率 的增加 呈 现 降低 的趋 势。在配 筋 率小 于 0 2 6 时， 单向配筋试件垂直钢筋向的混凝土最大拉 应力小于无配筋时的试件； 在配筋率小于 0 3 6 时， 双向配筋试件的混凝土最大拉应力小于无配筋时的 试件。双向配筋时， 在配筋率为 0 1 3 时， 混凝土最 大拉应 力 较 素混 凝 土 时 混 凝 土 最 大 拉 应 力 减 小 了 0 7 1 ； 单向配筋时， 在配筋率为 0 1 9 时， 顺钢筋向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相同， 此时混凝土最大拉应力较混凝土时混凝土最大 拉应力减小 了 0 2 9 。可 以明显看 出， 当钢板厚 度增 加 ， 钢筋对降低混凝土最大拉应力作用已经基本失效。 一 朋l 腿 J 三 箍 一 无 钢 筋 应 力 一 双 向 配 筋 应 九 配筋率， 不 同配筋率下混凝土最大拉应力 二 羹 嘉 露 嫠 舅 应 】， ， 一 无 钢 筋 应 力 r ， 一 双向配筋廖 ， 配筋率， 图6 钢板厚1 2 ra m 时不同配筋率下混凝土最大拉应力 通过对钢板厚度6与 1 2 m m两个试件模型的分析 对比得出， 当钢板较薄时， 合适的配筋率可有效降低 混凝土收缩时混凝土板 的最大拉 应力 ； 钢 板厚度 较 大 鼍 d 罢 氆卅燃赔 - 耋景安 低温建筑技术 2 0 1 5 年第4期( 总第2 0 2 期) 时， 配筋已对降低混凝土收缩时混凝土最大拉应力几 乎没有作用。还可看出， 无论钢板厚度多少， 不合适 的配筋率都会导致混凝土拉应力增加， 故在设计组合 板混凝土配筋时一定要多方面考虑权衡利弊。 4 构件 的理论厚度对混凝土收缩 自应力影响 根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范 的混凝土收缩模型公式 ， 构件的理论厚度是公 式中对混凝土收缩应变起直接作用的因素， 构件的理 论厚度 h= 2 A u ， 其中， A为截面面积 ； “为构件与大气 接触的周边长度。所以改变截面的形式， 一定对混凝 土收缩 自应力产生影响 。 表 1 不同截面混凝土收缩应变 截面形式 m 珈 Illl n 1 0 0 1 0 0 2 0 0 x 1 0 0 3 0 0 X 1 0 0 4 0 0 X 1 0 0 5 0 0 1 0 0 6 0 0 X 1 0 0 龄觐， d 2 8 2 8 2 8 2 8 2 8 2 8 混 凝土收 缩应变 1 0I 6 l 8 1 1 2 5 1 o 5 9 5 8 9 8 5 如前所述的有限元标准模型为 l O O m m X l O O m m l O O m m的立方体， 现改变模型的截面， 由于一般桥面 板中高度基本不存在调节余地， 保持截面高度 l O O m m 不变， 改变截面的长度， 表 1 为不同截面按照 公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 计算的龄期 2 8 d的混凝土收缩应变， 如表中所示截面长度越长， 混 凝土收缩应变越小； 但是如图7所示， 随着截面长度的 增加， 混凝土应变减小的幅度约来越小。图 7中可以 看 出， 龄期 3 6 5 d时混凝土收缩应变对构件的理论厚度 变化最为敏感， 变化幅度较大， 截面长度 l O O m m时的 收缩应 变 与 截 面 长 度 1 4 0 0 m m 时 的 收 缩 应 变 相 差 1 6 2 tx ； 龄期 3 6 5 0 d时收缩应变对理论厚度变化最不 敏感， 截 面长度 l O O m m 时的收缩 应变 与截 面长度 1 4 0 0 ra m时的收缩应变相仅差 4 9 1 ,z e ； 龄期 2 8 d时收缩 应变对理论厚度的变化也较敏感 。 好 刊 蜷 赡 截面长度 mm 图7 不同截面混凝土收缩应变 上述 已得 出混凝土收缩应变随着截面长度 的增 加而减小 ， 然而随着截面长度的增加混凝土体积也随 之增加 ， 体积增大必然导致混凝土收缩 自应力的增 加。所 以设 计 了尺 寸 分 别 为 l O O m m l O O m m l O O mm、 2 0 0 mm 2 0 0mm l O O mm、 3 0 0 mm 3 0 0mm l O O mm、 4 0 0mm 4 0 0mm l O Omm、 5 0 0ram 5 0 0mm l O O mm、 6 0 0mm 6 0 0ram l O O mm、 7 0 0ram 7 0 0ram l O O m m等 7 个有限元模型， 对比7个模型中混凝土收 缩时混凝土的最大拉应力 ， 获得较优截面形式。模型 中钢板厚度取 6 m m， 无钢筋， 其它条件 与标 准模型 相 同。 截面长度 m m 图8 不同模型混凝土收缩时混凝士最大应力 计算结果如图 8所示 ， 在龄期为 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d 、 3 6 5 d时 ， 混凝土收缩造成的混凝土最 大拉应力 随着截 面长宽的增加呈现先减小后增大的趋势 ， 而龄期为 3 6 5 0 d时， 此时混凝土收缩量已经基本完成， 混凝土最 大拉应力随着截面长宽的增大而增大， 这也验证前文 所述的龄期 3 6 5 0 d时收缩应变对构件理论厚度变化不 敏感。在龄期为2 8 d时， 长宽为 4 0 0 m m模型混凝土应 力较长宽为 l O O m m模型混凝土应力减小 3 4 ； 在龄期 为 9 0 d时， 长宽为 4 0 0 ra m模型混凝土应力较长宽为 l O O m m模型混凝土应力减 小 2 7 ； 在龄 期为 1 8 0 d时 ， 长宽为 3 0 0 ra m模型混凝土应力较长宽为 l O O m m模型 混凝 土 应 力 减 小 2 0 ； 在 龄 期 为 3 6 5 d时 ， 长 宽 为 2 0 0 m m模型混凝土应力较长宽为 l O O m m模型应力减 小 1 2 ； 而且截面 长宽在 3 0 0 ra m 到 6 0 0 ra m之 间时 混 凝土拉应力在龄期3 6 5 d前都处于一个较小的状态， 所 以较优的混凝土截面形式对于早期混凝土收缩 自应 力控制有一定的优化 ； 对于龄期较长时， 混凝土构件 截面形式对于混凝土收缩 自应力影响较小。计算 中 还发现截面 l O O m ml O O m ml O O m m的模型在龄期 3 6 5 d之前混凝土拉应力都较大， 所以本文中标准有限 元模型所得应力都较大。 5结语 ( 1 ) 钢板厚度的增加 ， 导致混凝土约束增强， 混 凝土收缩时混凝土拉应力增大； 在钢板厚度较薄时， 钢板厚度对于混凝土拉应力影响明显， 当钢板厚度增 加到 l O m m以后 ， 混凝土拉应力增加趋势减缓。因此， 在满足桥面板抗力设计与疲劳设计条件下应尽量使 用较 薄钢板 。 ( 2 ) 混凝土板中单 向配筋和双向配筋 ， 不恰当 的配筋率都会导致混凝土拉应力的提高； 恰当双向配 筋比恰当单向配筋可以使混凝土拉应力降低更多 ； 在 日 d 毒R词州遐孵 孙钰斐等 ： 异 型建筑结构抗震设计和案例综述 6 1 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 4 0 2 2 异型建筑结构 抗震 设计和案例综述 孙钰斐， 余绍锋 ( 同济大 学建筑 工程 系。 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 综述异型建筑结构在国内外的工程应用情况， 以及异型建筑抗震设计和理论分析方法 ， 指出异型 建筑抗震研究的方向。 【 关键词】 异型建筑； 抗震设计； 综述 【 中图分类号】 T U 3 5 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 04 0 0 6 1 0 3 随着经济发展和建筑技术的 13 益进步， 近年来 ， 异型建筑的发展非常快， 日趋复杂的建筑体型和平面 布置相继 出现 。 随着奥运会 、 世博会等大型活动在我 国的举办 ， 很多设计新颖、 造型奇特的建筑在我国拔地而起 ， 这些建筑很多是由国外的设计师所设计的， 但对 于一些来 自非地震区的国外设计师 ， 相关抗震设计经 验相对缺乏。所以， 出现一些极不规则 的超限建筑， 现行的设计规范未 给 出相关 要求 。因此 ， 必 须对 这些 异型建筑 的抗震设计给予高度 的重视 。 1 国内外工程 应用 表 i 列出了国内外异型建筑工程应用的实例。 2理论研 究现 状 对于异型建筑结构 ， 国家设计规范还没有给出具 体的相应设计要求和规范， 但此类结构应用 13趋广 泛， 开始得到国内外专家学者的系统研究， 包括结构 减震控制 、 在动力荷载下的结构分析、 结构的抗震性 能实验研究等。 对于此类建筑， 需要通过专门的理论分析和实验 研究为结构设计提供参考依据或验证设计。现在的 抗震分析方法主要有 确定性 分析方法 、 随机分 析方 法 与基于性能的分析方法， 其中确定性分析方法又分为 反应谱分析方法和时程分析方法。而 国内外的规范 中普遍常用的抗震设计方法是反应谱分析方法， 而抗 震性能分析的时程分析法多用于一些建筑体型复杂 的异型建筑。 2 1 异型建筑结构抗震设计中随机分析法的运用 在各种天然的外荷载的作用下， 结构有可能进入 钢板较薄时， 合适的配筋率可以对混凝土拉应力的降 低起到更明显的作用， 当钢板较厚时， 配筋对降低混 凝土拉应力的作用基本为零， 甚至增加混凝土拉应力。 ( 3 ) 纯钢板 一混凝土组合桥面板截面的理论厚 度对于早期混凝土收缩 自应力的影响较大， 在龄期超 过十年以后， 构件截面的理论厚度对于混凝土收缩 自 应力影响较小 。 ( 4 ) 其它形式的组合桥面板混凝土收缩影响规 律还有待进一步研究。 参考文献 1 吴 冲 现代钢桥 ( 上册 ) M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 2 杨勇， 曾苏生， 等 钢板一混凝土组合桥面板静力与疲劳性能 实验 J 中国公路学报， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 4 ) ： 7 8 8 3 3 邵旭东， 赵人达， 毛学明， 等 正交异性钢板一薄层 R P C组合 桥面板基本性能研究 J 中国公路学报， 2 0 l 2 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 0 4 5 4 H y e o n g Y e o l K i m ， Y o u n J u J e o n g E x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n b e h a v i o u r o f s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b rid g e d e c k s wi t h pe r f o b o n d ri b s J J o u rnal o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ， ( 6 2) ： 4 6 34 7 1 5 李杰 正交异性钢 一混凝土组合桥面板承载性能研究 D 上 海： 同济大学土木工程学院， 2 0 1 3 6 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范 s 7 占玉林 ， 赵人达 ， 毛学明 ， 牟廷敏 ， 范碧琨 钢 一混凝土组合 桥 面板试验研究与理论分析 J 西南交通大学学报， 2 O O 6 ， ( 3 ) ： 3 6 03 6 5 8 S h o u k r y S N，Wi ll i a m G W， Mc b ri d e K C e t a1 P e rf o r ma n c e e v alu a t i o n o f e mp i ric ally a n d t r a d i t i o n all y d e s i g n e d b rid g e d e c k s J J o u mal of b ri d g e e n g i n e e ri n g( AS C E) ， 2 0 1 l ， 1 6( 6) ： 7 6 8 7 7 6 9 吴 冲， 曾明根 ， 邵长 宇 ， 刘小 方大跨度 组合箱 梁斜 拉桥混 凝 土 收缩与徐变应力分析 J 世界桥梁 ， 2 0 0 4， S 1 ： 3 74 1 1 O 刘玉擎 组合结构桥梁 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 5 1 1 盂江 ， 赵宝俊 ， 刘建梅混凝土收缩徐变 效应 预测模 型及影响 因素 J 长安大学学报( 自 然科学版) ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 6 6 2 收稿 日期 2 0 1 5 0 21 5 作者简介 步龙( 1 9 8 9 一) ， 男， 陕西渭南人， 硕士， 从事组 合结构桥梁研究 。