不同规范下钢管混凝土劲性骨架拱的收缩徐变分析

王随军

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

钢管混凝土劲性骨架拱桥是由混凝土和钢材两种完全不同的材料组合而成，混凝土的收缩徐变发展将导致拱肋中应力的转移和重分布，使混凝土中的应力逐渐转移到钢管骨架[1-3]。由于混凝土收缩徐变的机理尚未被完全认识，各国提出了多种预测模型[4-5]。同时，对于大跨拱桥，其施工过程复杂，施工周期长，需要经历多次体系转换，导致各阶段混凝土的应力分布水平、混凝土龄期差异巨大，结合各国规范的预测模型和有限元软件的施工划分可以深入认识各种因素对成桥结构的影响[6-7]，降低收缩徐变，更好地指导设计和施工。

1 工程概况

本文以某钢管混凝土劲性骨架拱为依托，其主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，主拱肋为变宽变高钢桁拱架，拱跨340m，矢高74m，主弦管及横梁弦管内灌注C60自密实无收缩混凝土，拱圈劲性骨架外包C55补偿收缩混凝土。主拱圈平面呈X形，分为拱脚分叉段和拱顶合并段，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室拱肋组成，拱顶合并为单箱三室截面。拱箱外缘高度由拱脚处高11m变至拱顶处高6m。本工程采用缆索吊装法分段施工。

2 有限元模型的建立

如图1所示，根据某钢管混凝土劲性骨架拱的结构特征和施工安排，运用有限元软件MIDAS/civil建立全比例三维仿真模型。其模型几何尺寸、材料参数与实际结构保持一致。劲性骨架、内灌混凝土、外包混凝土选用梁单元模拟，扣索选用桁架单元模拟，全桥结构共计625个节点、1 780个单元。采用共节点方式实现劲性骨架与混凝土的协同作用，而拱肋与拱脚之间完全固结，扣索与拱肋之间铰接以模拟实际的工程状况。全桥施工过程持续26个月，共划分为66个施工阶段，通过激活或钝化结构、荷载及边界条件来模拟。

(a)平面

(b)立面图1 有限元模型

3 结果与分析

3.1 收缩徐变挠度对比

利用多个国家或地区规范中的混凝土收缩徐变预测函数计算的劲性骨架钢筋混凝土拱桥在成桥后6个月、1年、3年及10年的拱顶(1/2)、1/4及1/8跨径处拱肋竖向变形值如表1～表4所示，其中正值表示下挠、负值表示上翘。

表1 拱肋六个月的变形值 mm

由表1和表2可知，各国或地区对早期收缩徐变变形的趋势预测基本一致，随着时间的推移，拱顶位置出现了持续的下挠，而拱肋1/4和1/8跨径位置基本发生了一定程度的上翘，形成了“M”形的变形，这与工程实际相吻合。比较可以发现，对于拱顶位置，欧洲规范的预测收缩徐变变形最大，在6个月和一年后的下挠值分别为17.1mm和27.3mm，日本规范的预测与之较为接近，而中国规范对变形的预测值处于中间位置。值得一提的是，根据美国ACI规范的预测，由于收缩徐变的影响，在1/4跨径处成桥半年内出现5.4mm上翘，而半年后上翘逐渐恢复，到一年期时，变形值仅为上翘3.0mm。

表2 拱肋一年的变形值 mm

表3 拱肋三年的变形值 mm

表4 拱肋十年的变形值 mm

由表3和表4可知，各国或地区规范对长期收缩徐变变形中的预测中，日本规范的下挠值最大，其值为91.9mm，美国ACI规范计算变形值最小，其值为32.6mm。中国规范、CBE-FIP、韩国和欧洲规范所得的最终变形值在60～70mm之间。

3.2 拱肋收缩徐变应力发展比较

一般而言，拱脚位置的应力水平最大，是拱桥应力控制的关键截面，图2～图4为拱脚截面处劲性骨架、外包混凝土及内灌混凝土的收缩徐变作用下的应力发展曲线。

图2 劲性骨架拱脚处收缩徐变应力值

图3 外包混凝土(C60)拱脚处收缩徐变应力值

图4 内灌混凝土(C55)拱脚处收缩徐变应力值

由图2可知，随着时间的增长，劲性骨架受到的收缩徐变应力在持续的增加，成桥之后的两年增加较快，第二年到第四年增长变慢，第四年之后，应力增长相对平缓。应力增长最大的为日本规范计算值，涨幅接近40.0MPa，最小的为美国ACI规范计算值，其成桥十年后的应力增长幅度为14.3MPa，仅日本规范计算值的35.75 %。从图3可见，日本规范、韩国规范、欧洲规范及美国ACI规范计算的外包混凝土收缩徐变应力值均为受拉状态，即为卸载状态。而中国规范和CBE-FIP规范的计算结果显示，外包混凝土的应力随着混凝土龄期的增长反而有所上升，但其增加的最大幅值仅为0.62MPa，远远低于钢管骨架中的应力增幅。可以看出，受收缩徐变的影响，外包混凝土的应力逐渐向钢管发生了转移。从图4可以看出，随着混凝土龄期的增长，内灌混凝土的收缩徐变应力值变化很小，除了CBE-FIP规范外，其他规范计算值基本不变或者出现轻微卸载现象，最大应力减小值为不到0.3MPa。

4 结论

(1)对于跨中而言，欧洲规范预测的早期收缩徐变变形(一年内)发展最快，达到了27.3mm，而CBE-FIP和韩国规范的最小，为18.4mm。在长期收缩徐变变形(十年)发展预 测中，日本规范的下挠值最大，其值为91.9mm，美国ACI规范计算变形值最小，其值为32.6mm。

(2)随着时间的推移，劲性骨架受到的收缩徐变应力在持续的增加，表现出先快后缓，最后稳定的趋势。收缩徐变应力增长最大的为日本规范计算值，运营十年后涨幅接近40.0MPa，最小的为美国ACI规范计算值，仅为日本规范计算值的35.75 %。

(3)根据日本规范、韩国规范、欧洲规范及美国ACI规范的计算，外包混凝土收缩徐变应力值使得混凝土处于卸载状态。而中国规范和CBE-FIP规范的计算结果显示，外包混凝土的收缩徐变应力随着混凝土龄期的增长略有上升，但最大幅值仅为0.62MPa，远远低于钢管骨架中的应力增幅。这说明外包混凝土的应力逐渐向钢管发生了转移。内灌混凝土的收缩徐变应力值变化很小。