低湿环境对连续刚构桥收缩徐变影响分析*

陈 爽，唐慧琪，李继芸，文 涛，陈威庭，李福海

(1.云南建设基础设施投资股份有限公司，云南 昆明 650000；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

连续刚构桥具有跨径大、抗震能力强及内力分布合理等优点，近数十年来得到广泛应用[1]。然而，连续刚构桥在服役过程中普遍存在因跨中挠度过大而导致箱梁腹板开裂等工程病害问题，严重威胁桥梁安全性。国内外的研究成果显示[2]，造成连续刚构桥跨中挠度过大的主要原因是混凝土收缩徐变，特别是对低湿环境下大跨度且墩梁固结的连续刚构桥而言，结构因混凝土收缩徐变产生的附加效应更明显[3-4]，对行车的舒适性、桥梁的使用年限及美观性都将产生不同程度的影响[5]。

近些年来对收缩徐变对连续刚构桥产生的影响已进行较多研究。邓宜峰等[6]通过有限元法研究了4种收缩徐变模型对实际桥梁工程预测精确性，结果表明，CEB-FIP90模型具有最高的预测精度，而ACI209模型预测精度最差。李宁[7]对徐变效应影响下的连续刚构桥附加挠度及应力进行了研究，结果表明，连续刚构桥上部结构受徐变影响较大，且易在桥梁悬臂处出现最大变形。朱鹏飞等[8]系统总结了连续刚构桥下挠的主要因素。石磊[9]研究了连续刚构桥上部结构变形，认为在桥梁设计过程中须考虑收缩徐变效应。上述文献对连续刚构桥在收缩徐变影响下产生效应的研究具有一定的工程意义。但也可看出，目前针对收缩徐变对连续刚构桥的影响并没有考虑环境因素，尤其是低湿环境。

本文以某实际桥梁工程为研究对象，利用有限元软件MIDAS/Civil建立计算模型，对低湿环境下连续刚构桥在收缩徐变影响下的跨中应力与挠度进行分析，为工程提供参考。

1 收缩徐变模型选择

目前各国规范对收缩徐变预测模型的计算公式均为根据大量试验数据分析，利用计算机软件与数学方法拟合得出的经验公式，因混凝土收缩徐变影响因素众多，设计试验探索的侧重点不同，故各国学者推导得到的收缩徐变预测模型所考虑的影响因素也并不相同。目前较经典的混凝土徐变预测模型主要有ACI 209R-92[10]，CEB-FIP(1990)[11]，FIB-2010[12]，AS 3600∶2018[13]及GL2000[14]。前四者为各国规范采用的模型，而后者为学者论文中提出的模型。研究表明[15]，CEB-FIP(1990)模型对相对湿度40%～100%、温度5～30℃的刚构桥收缩徐变计算精度高，且JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所参考的收缩徐变预测模型为CEB-FIP(1990)模型，因此关于收缩徐变效应的计算模型选用CEB-FIP(1990)模型，具体表达式如下。

1)收缩模型

εcs(t,ts)=εcso·βs(t-ts)

(1)

εcso=εs(fcm)·βRH

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：εcs(t,ts)为收缩开始时的龄期为ts、计算考虑的龄期为t时的收缩应变；εcso为名义收缩系数；βs为收缩随时间发展的系数；fcm为本模型中的抗压强度(圆柱体抗压强度)；βRH为与年平均相对湿度相关的系数，适用于40%≤RH<99%；RH为环境年平均相对湿度(%)；βsc为依水泥种类而定的系数，对一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥，取5.0；h为构件理论厚度(mm)，取2A/u，其中A为构件截面面积，u为构件与大气接触的周边长度；RH0取100%；h0取100mm；t1取1d；fcmo取10MPa。

2)徐变模型

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)

(6)

φ0=φRHβ(fcm)β(t0)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：t0为加载时混凝土龄期(d)；t为计算时刻的混凝土龄期(d)；φ(t,t0)为徐变系数；φ0为名义徐变系数；βc为加载后徐变随时间发展系数。

由CEB-FIP(1990)模型计算公式可知，不同湿度下参数βRH与φRH的取值分别反映了环境湿度对连续刚构桥收缩与徐变的影响；成桥年限对连续刚构桥收缩的影响则通过式(1)中参数t与βs的取值得以体现，对徐变的影响则通过式(6)中的参数t与βc得以体现。

2 工程概况

本文研究对象为云南某地公路大桥主桥，桥型为(73+130+73)m预应力混凝土连续刚构桥。主桥下部主墩采用钢筋混凝土双薄壁空心墩，单肢平面尺寸为7m×2.5m，双肢壁面外到外距离12m。上部结构由2个130m T构组成对称结构，全桥长276m。箱梁顶宽12.5m、底宽7m，箱梁为单箱单室断面。箱梁高度由中部2.6m按1.8次抛物线变化至悬臂根部8.2m；腹板厚度分别为0.7，0.5m，底板厚度由跨中0.32m按1.8次抛物线变化至悬臂根部1.0m。刚构悬臂段施工采用挂篮对称悬浇，现浇节段长3～4.5m，最大悬浇主梁节段混凝土重185t，采用后支点挂篮，自重按100t计。箱梁桥面铺装为8cm C50混凝土+防水材料+10cm沥青混凝土，桥面布置为11.5m行车道+2×0.5m防撞护墙，汽车荷载标准为公路Ⅰ级，设计速度为80km/h。

采用有限元软件MIDAS/Civil建立主桥(73+130+73)m连续刚构桥的有限元模型，如图1所示。全桥共建立结点225个、单元218个。主梁、桥墩、系梁皆采用梁单元模拟。采用JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中的公式验算。

图1 连续刚构桥有限元模型

3 低湿环境对连续刚构桥收缩徐变影响

以连续刚构桥有限元模型为基础，将外界环境湿度分别考虑为40%，70%以模拟低湿度和高湿度，以70%湿度为对照，探究40%湿度下刚构桥收缩徐变效应。同时，考虑成桥1年、3年、6年、10年、30年及50年以考虑混凝土的收缩徐变效应，探究自重和中跨满布持荷状态下刚构桥收缩徐变的影响，其中中跨满布荷载形式如图2所示。具体工况如表1所示。

表1 具体工况

图2 持荷布置

3.1 低湿环境对连续刚构桥收缩徐变的内力影响

探究不同湿度下收缩徐变对连续刚构桥内力分布的影响，2种湿度下不同成桥年限在自重作用下的主梁弯矩分布如图3所示。

由图3可知，随着时间的延长，相同湿度环境下连续刚构桥弯矩值进一步增加，体现出明显的时变效应。同时可发现，成桥年限相同时，70%湿度环境下的连续刚构桥弯矩值均高于40%湿度环境下的弯矩值，主梁弯矩的最值均为40%湿度下成桥年限为50年的刚构桥，且弯矩曲线的变化也相对缓和，说明低湿环境下连续刚构桥的收缩徐变效应相比于高湿环境更大。这是由于低湿环境相比于高湿环境，混凝土内部水分更易往外界环境迁移，促进了混凝土干燥收缩与干燥徐变的发展，从而增加了混凝土总收缩量与总徐变量，导致连续刚构桥弯矩值增大。此外，由图3还可知，部分低湿环境下较短成桥年限的连续刚构桥弯矩值大于高湿环境下较长成桥年限的连续刚构桥弯矩值，如40%湿度环境下成桥30年的最大负弯矩值明显大于70%湿度环境下成桥50年的最大负弯矩值，这也表明因年限增长而导致连续刚构桥收缩徐变增加量小于因湿度降低带来的附加收缩徐变量。

图3 主梁弯矩分布

3.2 低湿环境对连续刚构桥收缩徐变的应力影响

为对比2种湿度下连续刚构桥的应力分布，40%与70%湿度下成桥50年自重作用下主梁上、下边缘的应力分布如图4所示；并将成桥年限为30年与50年的8个工况跨中上、下边缘的应力值置于表2，以拉应力为正。

图4 主梁应力分布

表2 跨中应力数值 MPa

40%和70%湿度下成桥50年收缩徐变对主梁下缘与上缘产生的应力分布如图4所示。由下缘应力分布可看出，2种湿度下收缩徐变对下缘产生的效应除了墩梁固结处会出现少许压应力，绝大部分为拉应力，而上缘应力主要在接近中跨跨中和边跨支座部分为压应力，其余梁段为拉应力。通过对比下缘应力与上缘应力的线形可看出，不论应力为正还是负，以最值比较，40%湿度下应力的数值都要分别大于70%湿度下的应力数值，说明低湿环境的不利效应。

由表2中跨中应力数值可看出，收缩徐变效应对主梁上、下边缘皆产生拉应力，随着成桥时间的增加，混凝土收缩徐变产生的应力也有所增加，自重与持荷2种工况相比，以工况1和工况2为例，持荷下产生的上缘应力大于自重，而收缩徐变产生的下缘应力小于自重。对比不同湿度的影响，以工况3和工况7为例，40%，70%湿度下上缘拉应力为0.02，0.08MPa，虽在高湿环境下上缘应力稍高于低湿环境，但两种环境下的应力变化仅为0.06MPa。而下缘应力分别为3.01，2.28MPa，两种环境下的应力变化为0.73MPa, 很明显可对比出低湿环境会使下缘产生更大拉应力。在桥梁设计中，结合其他不利荷载工况组合，会使跨中下缘十分不利。

3.3 低湿环境对连续刚构桥收缩徐变的挠度影响

为比较各影响因素下收缩徐变对连续刚构桥挠度的影响，此节绘制了24个工况下收缩徐变对跨中挠度所产生的效应，如图5所示，以挠度向下为负，其中图5a，5b分别为自重与持荷状态下的跨中挠度值。

图5 跨中挠度值

由图5可看出，随着时间的延长，混凝土收缩徐变对连续刚构桥跨中挠度的影响越大。自重状态下，1年、3年、6年、10年、30年及50年成桥年限在40%湿度下的跨中挠度增长平均速率分别为-12.13， -3.745，-2.143，-1.418，-0.701，-0.338mm/年， 跨中挠度值增长速率随着成桥年限的增长而逐渐减小，70%湿度及持荷状态条件下的跨中挠度值增长速率也表现出相同的发展趋势，这表明收缩徐变对连续刚构桥跨中挠度的影响主要体现在成桥早期，后期将随着收缩徐变发展速率的降低而减弱。通过对比图5a，5b还可知，相同成桥年限与湿度条件下，持荷状态下的刚构桥跨中挠度值均高于自重状态下的跨中挠度值，以成桥50年为例，40%，70%湿度下因荷载效应增加的跨中挠度值为7～8mm，持荷会对刚构桥跨中挠度造成一定范围内增长。通过对比不同湿度下的跨中挠度还可看出，自重状态下，由工况11和工况23对比可得，低湿环境下刚构桥跨中挠度要多16mm左右，若再考虑持荷状态下，对比工况12和工况24可知，因低湿环境下收缩徐变产生的挠度为17mm左右，表明湿度对刚构桥跨中挠度的影响最明显。

4 改善措施

综上分析，低湿环境下混凝土收缩徐变效应对连续刚构桥内力及跨中挠度产生不利影响相比于高湿环境更大，危害程度更大。而目前无法人为改变连续刚构桥所处的环境特征，故本节根据目前的研究成果，从连续刚构桥设计、混凝土及预应力张拉方面提出改善措施。

1)设计方面 连续刚构桥的收缩徐变效应计算必须接近实际情况，须选择合适的混凝土收缩徐变模型，应充分考虑刚构桥服役阶段内的结构自重、环境温湿度、车辆荷载等作用对收缩徐变的附加效应。

2)混凝土方面 基于骨料紧密堆积理论，优化粗骨料级配比例，在保证工作性能合格的基础上，严格控制胶凝材料用量，因为收缩徐变本质上是混凝土中水泥浆体的变形，骨料主要起到抑制变形作用。同时，适当延长搅拌时间，严格控制浇筑与振捣质量，提高混凝土密实程度。

3)预应力张拉方面 在混凝土强度满足预应力张拉的规定要求后，适当延长张拉龄期，使得预应力张拉作业可在混凝土具有较高弹性模式时进行，否则可能将导致连续刚构桥产生较大收缩徐变，从而造成预应力损失及跨中挠度过大。

5 结语

1)低湿环境下收缩徐变对刚构桥所产生的弯矩图变化更加剧烈，其最大正、负弯矩都出现在低湿环境长时间条件下。

2)收缩徐变对刚构桥主梁的上、下缘应力效应不同，下缘除了墩梁固结处大部分都为拉应力，而上缘在接近中跨跨中和边跨支座处会出现压应力，且低湿环境会使刚构桥的收缩徐变产生较大拉应力，结合其他不利荷载工况的组合，会使跨中下缘十分不利。

3)持荷状态下收缩徐变将产生更大挠度，在原有荷载产生的挠度下，收缩徐变使其产生比自重下更大的附加挠度，更加不利。同时，40%湿度相比于70%湿度下收缩徐变产生的跨中挠度要多16mm左右，说明低湿环境对连续刚构桥的不利影响。