PPF-PC连续刚构桥徐变效应分析研究_汪邦瑞.pdf

公路 年月第期 基金项目：上海公路桥梁（集团）有限公司科研项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：连续刚构桥徐变效应分析研究汪邦瑞，吴伟军，王红光，谢向阳，李杰（郑州大学土木工程学院郑州市 ；上海公路桥梁（集团）有限公司上海市 ）摘要：为明确聚丙烯纤维（）混凝土对 连续刚构桥徐变效应的影响，以某不等厚不等高双薄壁 连续刚构桥为依托，利用 建立该桥空间实体单元数值模型，首先对比分析普通 连续刚构桥（不含 ）在不同徐变模型时受力和变形；随后采用 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）徐变分析模型，对比 混凝土和普通 梁桥结构由于徐变效应产生的变形和应力，分析 对 结构徐变效应的影响。结果表明：规范徐变模型与 徐变模型接近，徐变模型最保守；不改变 连续刚构桥受力特点和力学行为，但成桥时 连续刚构桥相比于普通 连续刚构桥，其跨中挠度值更小，且随着时间推移，添加 的 连续刚构桥更能抵抗徐变引起的挠度。关键词：预应力混凝土连续刚构桥；徐变模型；聚丙烯纤维；徐变效应我国 连续刚构桥发展始于 世纪 年代末，之后我国建造了一大批代表性 连续刚构桥，从 年建成主跨 洛溪大桥、年建成主跨 虎门大桥辅航道桥，到 年建成世界最大跨度 重庆石板坡大桥复线桥，我国 连续刚构桥设计与建造技术逐渐趋于成熟，目前已处于世界先进水平。但是，随着 连续刚构桥广泛建造，也出现了许多问题，比如施工和运营中徐变对结构力学行为影响。大跨度 连续刚构桥在徐变效应下会产生内力重分配，也会造成预应力钢筋损失，并使得结构跨中挠度增加，特别是对于成桥后长期运营，连续刚构桥上部结构挠度受混凝土徐变效应影响较大。混凝土徐变影响不易分析、控制，且如何考虑徐变对于 连续刚构桥影响仍有一定争议，选择合适徐变模型进行徐变效应计算很重要。混凝土徐变通常采用徐变系数的计算方法，目前主要采用 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（）（以下简称 ）徐变模型、徐变模型以及 徐变模型等。已有大量研究表明，采用不同模式计算结果有很大差别。随着新材料发展与应用，境 内 已 有 连 续 刚 构 桥 掺 入 聚 丙 烯 纤 维（）改善混凝土性能，混凝土具有抗渗、较强的冲击能力以及耐磨性强等特点。树文新 等对普通混凝土与 混凝土进行抗压强度试验、劈裂强度试验以及抗折试验发现：混凝土的早期抗压强度、劈裂强度、抗弯强度均较普通混凝土改善很多。混凝土这些优点可以解决 连续刚构桥早期容易开裂问题，因此，连续刚构桥较普通 连续刚构桥具有一定优势。目前，境内对于 混凝土研究主要集中在其物理和力学性能，关于 对 连续刚构桥徐变效应影响研究不多。鉴于此，本文以某 连续刚构桥为依托，利用 建立该桥空间实体单元数值模型，对比分析不同徐变模型对普通 连续刚构桥受力和变形影响；随后采用 徐变模型，通过对比徐变效应对 混凝土和普通 梁桥结构的变形和应力，探讨 对 结构徐变效应影响。工程背景及有限元模型 工程背景某 连续刚构桥跨径布置（）。主梁为单箱单室直腹板变截面箱梁，梁高根部高 年第期汪邦瑞等：连续刚构桥徐变效应分析研究 、跨中高，按 次抛物线渐变；顶板宽 ，厚 ，悬 臂 板 长 ；底 板 宽 ，厚度由根部 按 次抛物线渐变至跨中 。腹板厚由 渐变至 ，再渐变至 。箱梁布设三向预应力，采用 混凝土，每方混凝土掺入 聚丙烯纤维量。采用挂篮悬臂浇注施工。由于桥址地形限制，主墩采用不等高、不等厚、不等净距双肢薄壁墩：墩高分别为高，宽 ，壁厚 ，肢间距 ；高 ，宽 ，壁厚 ，肢间距 。有限元模型采用有限元软件 建立该桥空间实体单元模型，该软件可选择和修改徐变模型参数。利用 绘 制 箱 梁 截 面 文 件，导 入 建立平面，再使用放样功能与相邻截面建立实体单元。考虑钢筋平弯及竖弯，建立纵向预应力钢筋、竖向预应力钢筋以及横向预应力钢筋模型。全桥几何模型共包含 个线单元，个面单元，个实体单元。采用自动网格划分方式生成有限元分析模型，见图。图有限元分析模型徐变模型对普通 连续刚构桥受力和变形影响分析为了讨论徐变模型对普通 连续刚构桥变形、应力影响，分析模型中主梁、主墩均为不添加 的 、普通混凝土。箱梁悬浇施工设置为：混凝土收缩开始龄期，梁段加载龄期，环境年 平 均 湿 度；按 照 设 计，预 应 力 钢 筋 为 低松弛率钢筋，热膨胀系数 ，孔道摩阻系数 ，孔道偏差系数 ，锚具变形及钢筋回缩值为单端。徐变模型分别选择 模型、模型、模型，作用仅考虑结构自重、预应力以及徐变效应简单组合。主梁竖向挠度对比成桥和成桥 年主梁竖向挠度，见图。单位：图不同徐变模型成桥、成桥 年竖向挠度不同徐变模型和不考虑徐变主梁成桥及成桥 年竖向挠度对比见图。由图（）和图（）可以看出，不考虑徐变效应影响，主梁竖向挠度值整体比考虑徐变效应的小，尤其是跨中挠度相差 ，这表明徐变效应对 连续刚构桥竖向挠度影响很大，设计及施工中不可忽略。模型与其他模型的竖向挠度相差较大，跨中成桥时挠度最大值比不考虑徐变的大 ，模型与 模型相近，这是因为前者是在后者基础上修正。由图（）和图（）可以看出，成桥 年，模型跨中挠度最大，为 ，其次 模型跨中挠度 ，模型跨中挠度 ，不考虑徐变跨中挠度 。与成桥跨中挠度相比，模 型增幅 ，模型增幅 为 ，模型增幅 。随着时间流图不同徐变模型和不考虑徐变时主梁成桥及成桥 年竖向挠度对比逝，成桥 年跨中挠度比成桥时大，即考虑徐变效应成桥后跨中上挠增加，边跨下挠减小，这是由于在荷载长期作用下徐变会使变形逐渐增大，但实际结构会由于材料劣化、预应力损失等因素多出现跨中下挠。主梁正应力对比成桥和成桥 年主梁正应力，见图。单位：图不同徐变模型成桥、成桥 年主梁正应力不同徐变模型和不考虑徐变主梁成桥及成桥 年主梁正应力对比，见图。由图（）和图（）可以看出，模型正应力最大值以及最小值均最大，不考虑徐变效应正应力最大及最小值均最小，同理可看出 模型与 模型正应力接近。由图（）和（）可以看出，成桥 年 模型计算时，成桥 年与成桥时跨中纵桥向应力相比增幅最大，模型、模型以及不考虑徐变效应跨中正应力几乎相同，模型、模型主梁正应力均比不考虑徐变效应的大。对 结构徐变效应影响分析由上述分析可以看出，采用 模型与 模型分析结果接近，而 模型相对比较保守，故以下采用 模型分析依托工程竖向挠度和主梁正应力，并与普通 连续刚构桥对比，探讨 对 结 构 徐 变 效 应 影 响。针 对 该 桥 混凝土开展材料性能试验可得到抗压强度和徐变度的时变曲线，本文采用文献 和 给出 聚丙烯纤维混凝土抗压强度曲线、徐变时变曲线，在 中修改有限元模型 材料属性和时间依存函数以考虑聚丙烯纤维影响。公路 年第期 年第期汪邦瑞等：连续刚构桥徐变效应分析研究图不同徐变模型和不考虑徐变主梁成桥及成桥 年主梁正应力对比 依托工程主梁挠度、正应力分析荷载组合同前，仅考虑恒载、预应力和徐变效应。成桥和成桥 年主梁竖向挠度见图。成桥和成桥 年主梁正应力，见图。单位：图 连续刚构桥竖向挠度单位：图 连续刚构桥主梁正应力由图可以看出，最大挠度位于跨中：成桥挠度 ，成桥 年挠度 ，均小于普通 连续刚构桥挠度，减缓了徐变效应影响。由图可以看出，成桥跨中截面底板正应力为 ，箱梁根部截面底板正应力为 ；成桥 年跨中截面底板正应力为 ，箱梁根部截面底板正应力为 。主梁全截面受压，压应力储备充裕，且正应力与普通 连续刚构桥相近。对徐变效应影响对比成桥及 年 连续刚构桥与普通 连续刚构桥竖向挠度及正应力对比见图和图。由图可以看出，与普通 连续刚构桥相比，成桥时 连续刚构桥跨中上挠减小 ，相对减少 ，且 连续刚构桥边跨下挠相对较小。两桥顶板正应力相差很小，连续刚构桥比普通 连续刚构桥最大压应力大 。由图可以看出，与普通 连续刚构桥相比，成桥 年 连续刚构桥跨中上挠减小 ，相对减少 。成桥 年两桥顶板跨中正应力相差不大，连续刚构桥正应力比普通 连续刚构桥大 。对比图和图可以看出，两桥成桥 年挠度均比成桥挠度大：普通 连续刚构桥跨中最大挠单位：图成桥 与普通连续刚构桥变形与应力对比图成桥 年 与普通连续刚构桥变形与应力对比度增大 ，增幅为 ；连续刚构桥跨中最大挠度增大 ，增幅为 。由此可以看出，随着时间流逝，连续刚构桥的挠度增幅比普通 连续刚构桥小。结语（）对于大跨度 连续刚构桥结构设计分析和施工控制必须考虑徐变效应，不同的徐变模型对结构力学行为影响不同，甚至差异较大。（）采用 模型与 模型分析依托工程成桥和成桥 年主梁竖向挠度以及正应力都很接近，模型相对偏大，比较保守。（）在提升混凝土抗拉、抗裂性能的同时，可以改善混凝土材料徐变效应对结构的不利影响，特别是对于 连续刚构桥这一类梁体系能减缓徐变效应对桥梁竖向挠度的影响，这对克服梁桥长期运营跨中下挠问题有积极作用。参考文献：曾宪武，王永珩桥梁建设的回顾和展望公路，（）：李杰大跨径 连续刚构桥设计参数优化研究长安大学，张喜刚，刘高，马军海，等中国桥梁技术的现状与展望中国公路，（）：李宁基于有限元的预应力混凝土桥梁徐变效应研究 公路工程，（）：闫斌，潘文彬，孟亚军，徐庆元收缩徐变作用下铁路连续刚构 桥轨 道 系 统 受 力 特 性 铁 道 学 报，（）：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ：，（），：，汪洋，杨鼎宜，周明耀聚丙烯纤维混凝土的研究现状与趋势 混凝土，（）：树文新，焉学永，杨军珊，等 硅粉聚丙烯纤维混凝土应用于大跨 刚构桥块的试验与分析 湖南交通科技，（）：薛鹏飞，汪劲丰，项贻强 连续刚构桥施工过程的仿真分析工程力学，（）：公路 年第期