混凝土收缩徐变对连续曲线箱梁桥的受力影响

2010-07-30童智洋

铁道建筑 2010年6期

童智洋

(中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院，武汉 430034)

随着城市立交桥、铁路高架桥的发展，受桥位和其他条件的限制，越来越多地采用曲线梁桥，特别是连续曲线梁桥。在连续曲线梁桥中，收缩徐变是不可忽略的影响因素，而在我国规范中并没有针对性的条款，仅推荐采用《CEB—FIP模式规范》中的相应公式进行计算，同时将计算年限70年缩短为10年。

1 计算原理

设ti为计算时刻，则Trost-Bazant公式可用较精确的形式表示应力应变增量的关系

引入

并设

则由节点约束产生的轴力和节点弯矩增量为

式中，Δεcs(ti，ti－1)、Δσcs(ti－ ti－1) 为 ti－1至 ti时间内由收缩徐变引起的应变增量和应力增量;ΔN(tj)、ΔM(tj)、Δσ(tj)为时刻 tj的轴力、弯矩、应力增量;Δεs(ti，ti－1) 为 ti－1至 ti时间内发生的收缩应变增量;E(tj) 为时刻 tj的弹性模量;Eφ(ti，ti－1) 为按龄期调整的有效模量;φ(ti－1，tj) 为 tj到 ti－1时间段内的徐变系数; χ(ti，ti－1) 为老化系数;Δφs(ti，ti－1) 为 ti－1至 ti时间内收缩引起的曲率增量;η(ti，tj)为引入变量;Ac、Ic为混凝土截面面积、抗弯惯性矩。

式(2)和式(3)按单元规定的坐标系即可形成单元的收缩徐变荷载矩阵，再采用计算机利用有限单元逐步计算法求解。同理，还可以求出位移增量等(对式(2)和式(3)的详细推导可参见文献[2] )。

随着计算机技术的高速发展和有限元法的应用，采用有效模量有限单元法计算收缩徐变对桥梁结构的影响已基本可以得到较完美的解。

对混凝土桥梁的收缩徐变进行有限单元分析，将从施工开始到竣工直至收缩徐变完成的过程划分为若干个计算阶段，每个计算阶段再划分为数个适当的时间间隔;每个计算阶段已建结构划分为若干个单元，并使每个单元的混凝土具有均一的徐变收缩特性。

2 算例分析

计算分析模型(见文献[3] 中的图1)的跨径为(30+40+30)m，平曲线半径为100 m，收缩徐变参数参照文献[1]取值:ts=5 d，t0=5 d，fcm=34 000 MPa，RH=70%，βsc=5.0。其中，ts为收缩开始时的混凝土龄期(d)，可假定为3～7 d;t0为桥梁结构开始受收缩徐变影响时刻(d);fcm为混凝土28 d的平均立方体抗压强度(MPa);RH为环境年平均相对湿度(%);βsc为依水泥种类而定的系数，按硅酸盐类水泥取5.0。

全桥采用空间曲杆单元法进行计算分析。计算恒载作用下，收缩徐变对结构位移和内力的影响。

2.1 收缩徐变对结构位移的影响(计算结果见图1)

图1 收缩徐变对结构位移的影响

由图1(a)可知，收缩徐变对梁端纵向位移的影响较大，30年后仍在发展。前5年发展较快，约完成了65%(以30年为终值);5年—20年间的增长速率基本相同，10年时约完成80%，20年时约完成95%，20年后曲线基本趋于平缓。因此，采用公路桥梁规范推荐的10年延续期略偏短，宜按20年进行计算。同时，从图1(a)中还可以看出，收缩徐变对梁体的径向位移也有一定的影响，虽然影响较小，但其与由温度效应产生的径向位移叠加，会使结构受力朝更不利的方向发展。因此，在设计时要注意收缩徐变对梁端纵向位移和径向位移的影响，这影响到支座类型的选取以及限位装置的设置。

图1(b)则说明，收缩徐变仅在前10年对梁体跨中的竖向位移有一定的影响，但影响很小，设计研究时可忽略或按规范10年延续期计算。

2.2 收缩徐变对结构内力的影响

收缩徐变对结构内力影响的计算结果见图2。

由图2可知，收缩徐变对梁端扭矩基本没有影响，但对梁体的轴力、径向剪力和竖向弯矩都有一定的影响。若以30年的收缩徐变为终值，10年时收缩徐变对梁体的轴力、径向剪力和竖向弯矩的影响均约完成80%，20年时均约完成90%。这与图1显示的计算延续期规律相似。但收缩徐变对梁体的轴力、径向剪力和竖向弯矩的影响绝对值较小，相对于恒载效应来说，收缩徐变的影响非常有限，设计时甚至可以忽略。