不同收缩徐变模型下的刚构桥结构响应研究

郑 婵

(中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 100000)

在如今的公路、铁路桥梁建设中，混凝土刚构桥因其刚度大、施工技术成熟等优势而得到广泛运用，同时其跨径也在不断增大，在运营使用过程中，出现了主梁跨中下挠加大、梁体开裂等问题，影响到了桥梁本身的使用寿命[1]。收缩徐变作为混凝土劣化的时变材料特性，对于混凝土桥梁长期服役性能有着至关重要的影响[2，3]。

运用midas Civil有限元分析软件，建立连续刚构桥全过程施工有限元模型，分析不同收缩徐变计算模型下的桥梁结构响应，得出相互之间的结构受力结果区别。

1 工程实例

庆嘉连续刚构桥跨径布置为50 m+86 m+50 m，箱顶宽13 m，底宽7.5 m，悬臂长度3.0m，箱梁根部断面梁高为5.2 m，其余梁底下缘按1.8次抛物线变化。主梁采用C50混凝土，主梁预应力钢束均采用钢绞线，抗拉强度标准值fpkMPa。

2 不同收缩徐变模型计算理论

徐变效应是混凝土材料应力不变下应变随时间发展的现象，混凝土收缩则因其影响因素多、变化大，故难以准确定量描述。当前许多学者已经很提出了较多的收缩徐变计算模型[4]，不同的模型有着其独有的使用条件，参考规范及文献，此处选取CEB-FIP模型[5]、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62—2004)模型[6](以下简称JTG D62—2004模型)、欧洲模型[7]、ACI[8]模型作为对比对象。

3 有限元模型建立

采用midas Civil软件建立有限元分析模型，主梁及墩柱采用空间梁单元模拟，主梁与墩柱采用刚性连接，墩柱底部为固结约束，主梁支座选用带有刚度系数的弹性连接模拟，标准节段施工按照移动挂篮、悬臂浇筑、张拉预应力顺序进行模拟，收缩徐变模型通过软件自带模块进行相应输入。全桥离散为135个节点，126个单元。

为了方便分析，此处将CEB-FIP模型、JTG D62-2004模型、欧洲模型、ACI模型分别命名为模型1、模型2、模型3、模型4，计算参数如表1所示。

表1 计算参数表

4 不同模型下的结构响应分析

4.1 施工期结构变形分析

为了得出不同模型作用下施工期的影响结果，选取最大悬臂段以及成桥阶段收缩徐变效应下计算结果进行汇总，不考虑其他荷载作用。由于桥梁跨径对称，左右半桥实际基本是同时施工，因此选取半跨进行结果提取，成桥阶段选取所有主梁节点，节点号按照从左至右依次编号，其变形结果如图1、图2所示。

图1 最大悬臂节段变形图

图2 成桥阶段变形图

根据图1变形曲线图所示，在施工最大悬臂段时，悬臂位置节段总体变形量由大到小依次为模型4、模型2、模型1、模型3，相较于模型3，模型4变形增加了约3 mm，增幅接近50%，说明模型4对于变形影响最大，模型3最小；在12号～25号节点之间，靠近墩柱位置节段模型4变形最小，模型3最大，可以看出悬臂端的下挠使得墩柱节段出现反拱趋势，墩顶截面顶板承受较大负弯矩，易出现开裂风险；模型1与模型2整体趋势基本一致，数值也较为接近，选择任一模型对于变形结果无显著影响。

成桥状态下，不同模型之间变形趋势与最大悬臂阶段相同，由于1#、2#墩柱高度不同，桥墩自身收缩徐变会导致桥墩沉降不一致，使得跨中左右节段变形不对称，因此对于高低墩刚构桥来说，需要关注左、右半桥高程变化情况，针对不同变形进行相关预拱度的调整。

4.2 运营期结构响应分析

(1)结构变形结果分析

针对四种不同的收缩徐变模型，考虑施工成桥后十年运营时间，选取主梁左右节段收缩徐变效应下变形结果绘制曲线图。从图3中可以看出，十年运营期，节段变形由大到小依次为模型1、模型2、模型3、模型4，相比于施工期变形量对比结果，模型1长期效应比短期效应更为显著，最大变形接近30 mm；模型4下结构最大变形处比成桥只增加约3.8 mm，此结果用来作为后期养护评估较为冒险，不建议采用；模型2与模型3长期效应结果较为接近，无明显区别。

图3 运营期结构变形图

(2)结构受力结果分析

对于刚构桥的来说，可选取各跨跨中及墩顶附近等位置截面作为分析对象。提取截面弯矩数值见表2，可以看出， 任意截面位置处， 模型1的弯矩效应值最大，跨中合龙段D-D截面弯矩效应值由大到小依次为模型1、模型2、模型3、模型4，墩顶截面弯矩效应值由大到小依次为模型1、模型4、模型2、模型3，模型2与模型4总体数值较为接近，模型3最小，在实际应用过程中，若结构受力方面保守考虑，可选择模型1作为计算模型。

表2 不同模型下的截面弯矩值

判断混凝土结构是否良好，可以根据结构应力数值是否满足要求来进行评估，为了对比徐变效应的影响，忽略因约束而产生的附加二次应力，只考虑有限元模型中徐变一次工况下的受力情况，如图4所示。从图中可以看出，徐变一次工况下，结构整体仍处受压状态，最大压应力为模型1中的13.25 MPa，最小压应力为模型3中的6.97 MPa，对于混凝土结构来说，抗压强度远大于抗拉强度，因此针对于以应力作为评估对象，考虑后期较为保守估计的前提下，可选用模型3来所谓计算依据。同时对比全桥受力情况，不同模型之间区别较小，由此可以看出徐变模型不影响应力分布情况。

图4 不同模型下的徐变一次结构应力图/MPa

5 结 论

基于建立考虑不同收缩徐变模型下的连续刚构桥有限元模型，选取最大悬臂阶段、成桥状态以及十年运营期作为计算时间节点，对比分析各工况下的主梁变形及受力结果，得出以下结论：

(1)最大悬臂阶段总体变形量由大到小依次为模型4、模型2、模型1、模型3，模型4对于变形影响最大，模型3最小，模型1与模型2整体基本能保持一致；对于高低墩刚构桥需要根据不同变形调整预拱度设置。

(2)十年运营期，节段变形由大到小依次为模型1、模型2、模型3、模型4，模型1长期效应比短期效应更为显著，模型4作为后期变形预测指标较为冒险。

(3)选用模型3可作为评估结构受力情况的保守预测手段，同时不同徐变模型所得的应力分布情况基本相同，影响可忽略不计。