第 2 期卫建军 : 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应 193 onthebendingmoment.boththeverticaldisplacementandbendingmomentcausedbyconcretecreep areinfluencedgreatlybybridg

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于直郭
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1 第 35 卷第 2 期 2015 年 03 月西安科技大学学报 JOURNALOFXI ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY Vol.35 No2 Mar2015 DOI: /j.cnki.xakjdxxb 文章编号 : (2015) 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应卫建军 ( 西安科技大学建筑与土木工程学院, 陕西西安 ) 摘要 : 混凝土的收缩徐变效应是影响预应力混凝土连续梁桥受力的重要因素混凝土收缩徐变效应研究是进行混凝土桥梁设计的前提通过对影响混凝土收缩徐变效应的主要因素分析, 揭示混凝土收缩徐变对桥梁变形和内力的影响规律以某三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥为工程依托, 采用有限元仿真分析方法, 将连续箱梁所处环境的相对湿度混凝土加载龄期以及运营时间对混凝土收缩徐变效应的影响进行参数分析研究认为 : 混凝土收缩和徐变所引起的连续梁的竖向位移及截面弯矩均随环境相对湿度的增大而减小 ; 随着加载龄期的延长, 混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势, 而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小 ; 运营时间对混凝土收缩作用引起的梁体竖向位移影响显著, 而对截面弯矩无影响, 运营时间对混凝土徐变作用引起的梁体竖向位移与截面弯矩均影响较大文中研究结果对同类工程设计提供一定的参考价值关键词 : 预应力混凝土连续箱梁 ; 混凝土收缩徐变 ; 有限元分析中图分类号 :U 文献标志码 :A Shrinkageandcreepefectofthreespancontinuous variablecrossectionprestresedconcretebridge WEIJianjun (ColegeofCivilandArchitecturalEnginering,Xi anuniversityofscienceandtechnology,xi an710054,china) Abstract:Theshrinkageandcreepefectofconcreteisanimportantfactorimpactingthemechanicalof prestresedconcretecontinuousbeambridges.researchonefectsofshrinkageandcreepofconcreteis aprerequisiteforconcretebridgedesign.influentiallawofthedeformationandinternalforceofbridge causedbyshrinkageandcreepofconcretecanberevealedthroughtheanalysisonthemainfactorsaf fectingtheefectsofshrinkageandcreepofconcrete.finiteelementanalysisonthemainfactorsthatin fluencestheshrinkageandcreepefectofconcreteisstudiedbytakingathreespanvariablecrossec tionprestresedconcretecontinuousboxgirderbridgeastheresearchobject,andthemainfactorsin cludeenvironmentalrelativehumidity,loadingageofconcrete,operationtimeetc.theresultsshowthat withtheincreasingenvironmentalrelativehumidity.boththeverticaldisplacementandbendingmoment causedbyshrinkageandcreeparebothdecreasedgradualy.theverticaldisplacementandbendingmo mentcausedbyshrinkageareincreasedwiththeloadingtime.bridgeoperationtimehassignificantin fluencesontheverticaldisplacementofthebridgecausedbyconcretecreep,whileithaslitleinfluences 收稿日期 : 责任编辑 : 李克永基金项目 : 国家自然科学基金青年基金 ( ); 国家自然科学基金 ( ) 作者简介 : 卫建军 (1961-), 男, 河南汝阳人, 高级工程师, 工学硕士, weijianjun61@163.com

2 第 2 期卫建军 : 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应 193 onthebendingmoment.boththeverticaldisplacementandbendingmomentcausedbyconcretecreep areinfluencedgreatlybybridgeoperationtime.theresultscanprovideacertainreferencevalueforthe designofsimilarproject. Keywords:prestresedconcretecontinuousboxgirderbridge;shrinkageandcreepofconcrete;finiteel ementanalysis 0 引言预应力混凝土连续梁桥以其受力性能好跨越能力大设计和施工技术成熟养护简单以及造价经济等优势得到了广泛应用 [1-3] 但许多桥梁在建成后几年内, 其跨中下挠量就超过了施工预拱度 : 湖北黄石长江大桥通车运营 3 年后, 跨中开始出现持续下挠, 运营 7 年后, 主梁跨中最大下挠量与成桥时相比已达到 30.5cm [4] ; 虎门大桥辅航道桥建成通车 7 年后, 跨中最大下挠量与成桥时相比已达到 22.2cm [5] 另外, 英国美国和挪威等国家预应力混凝土桥梁跨中下挠过大问题也成为制约其桥梁发展的主要问题之一 [6-8] 王铁梦丁文胜胡狄汪剑以及李世伟等针对混凝土梁的下挠或裂缝问题进行了试验或理论分析, 认为预应力混凝土连续箱梁在其运营过程中梁体开裂及下挠过大的现象较为普遍, 桥梁理论计算下挠远小于实测值 ; 随着运营时间的增加, 桥梁下挠速度持续增长, 且持续多年 ; 大跨度预应力混凝土桥梁下挠状况也较为常见其研究结果表明 : 造成预应力混凝土桥梁下挠的原因除了施工技术水平预应力损失过大等因素之外, 对混凝土收缩徐变作用及其效应认识的不足也是这一现象产生的主要因素 [3,9-11] 目前, 关于桥梁混凝土的收缩徐变效应国内外学者进行了广泛研究, 得出了大量的混凝土收缩徐变模式及其计算方法, 但在研究过程中需考虑桥梁所处的自然环境, 其得出的桥梁混凝土收缩徐变模式具有局限性因此, 对于桥梁收缩徐变的研究有必要结合实际工程, 对其在当地实际环境下结构的受力进行分析, 以明确该桥梁的受力性能在当地环境下受混凝土收缩徐变的影响规律以某三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥为工程依托, 对影响混凝土收缩徐变效应的主要因素包括环境相对湿度混凝土加载龄期以及桥梁运营时间等进行有限元分析, 得出收缩徐变作用对大跨径预应力混凝土连续箱梁受力性能的影响规律 1 有限元分析模型 1.1 依托工程概况文中工程依托跨径布置为 m. 桥梁梁高变化段梁底曲线采用 1.8 次抛物线, 跨中边支点处梁高 2.85m, 中支点处梁高 6.25m, 桥梁总体布置如图 1 所示桥梁上部结构采用 C55 混凝土, 布置公称直径为 15.2mm 的纵向预应力束, 抗拉强度标准值 f pk =1860MPa, 张拉控制应力为 0.75f pk =1395MPa.! 图 1 连续箱梁总体布置 Fig.1 Generalarangementofcontinuousboxgirderbridge 注 : 图中标注除高程外均以厘米计 (a) 立面布置 (b) 断面布置 1.2 有限元模型文中采用有限元软件 Midas 对上述三跨预应力混凝土连续箱梁进行梁单元数值模拟连续箱梁有限元模型共包含 65 个梁单元 82 个节点, 有限元模型如图 2 所示其中,10 # 12 # 及 13 # 墩顶上游均使用双向活动支座, 释放其顺桥向和横桥向平动位移自由度以及横桥向转角位移自由度, 下游使用单向活动支座, 释放其顺桥向平动位移自由度以及横桥向转角位移自由度 ;11 # 墩顶上游释

194 西安科技大学学报 2015 年放其横桥向平动位移自由度和转角位移自由度, 下游仅释放其横桥向转角位移自由度图 2 连续箱梁有限元模型 Fig.2 Finiteelementmodelofcontinuousboxgirderbridge 2 连续箱梁收缩徐变效应的主要影响因素分析 2.

并且中跨跨中位置的竖向位移变化量最大, 支座部位墩顶截面的弯矩变化量最大 : 当环境相对湿度由 40% 增大至 80% 的过程中, 桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量均为 47.9%.

2 混凝土加载龄期对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响图 5 和图 6 给出了混凝土加载龄期对连续箱梁收缩徐变效应的影响该桥采用挂篮施工工艺, 从混凝土浇筑至预应力张拉一般需经历 4~14 d 时间, 因此, 文中选取此时间范围进行混凝土加载龄期对桥梁的受力性能的影响分析从图 5 和图 6 可以看出, 当加载龄期由 4d

3 194 西安科技大学学报 2015 年放其横桥向平动位移自由度和转角位移自由度, 下游仅释放其横桥向转角位移自由度图 2 连续箱梁有限元模型 Fig.2 Finiteelementmodelofcontinuousboxgirderbridge 2 连续箱梁收缩徐变效应的主要影响因素分析 2.1 相对湿度对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响图 3 和图 4 给出了环境相对湿度对连续箱梁收缩效应的影响, 由于结构及荷载对称, 文中只给出桥梁左半部分结果由图 3 和图 4 可以看出, 随着环境相对湿度的增大, 混凝土的收缩效应减弱, 混凝土收缩引起的连续梁竖向位移及截面弯矩均逐渐减小, 并且中跨跨中位置的竖向位移变化量最大, 支座部位墩顶截面的弯矩变化量最大 : 当环境相对湿度由 40% 增大至 80% 的过程中, 桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量均为 47.9%. 当环境相对湿度由 40% 增大至 80% 的过程中, 混凝土的徐变效应减弱, 由混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩均逐渐减小, 并且对距离梁端 80~90m 区域截面的竖向位移影响较大, 最大减小量为 62.7%; 而中跨位置截面弯矩随环境相对湿度的变化较大, 最大减小量为 109%. 2.2 混凝土加载龄期对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响图 5 和图 6 给出了混凝土加载龄期对连续箱梁收缩徐变效应的影响该桥采用挂篮施工工艺, 从混凝土浇筑至预应力张拉一般需经历 4~14 d 时间, 因此, 文中选取此时间范围进行混凝土加载龄期对桥梁的受力性能的影响分析从图 5 和图 6 可以看出, 当加载龄期由 4d 增加至 14d 的过程中, 混凝土的收缩效应较为显著, 而徐变效应不明显并且混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势, 其最大增加量分别为 21.1% 以及 20.7%; 而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小, 其最大减小量分别为 0.37% 以及 0.15%. 图 3 相对湿度对混凝土收缩效应的影响 Fig.3 Influenceofrelativehumidityon concreteshrinkageefect 图 4 相对湿度对混凝土徐变效应的影响 Fig.4 Influenceofrelativehumidity

4 第 2 期卫建军 : 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应 195 图 5 混凝土加载龄期对混凝土收缩效应的影响 Fig.5 Influenceofconcreteloadingage onconcreteshrinkageefect 图 7 桥梁运营时间对混凝土收缩效应的影响 Fig.7 Influenceofoperationtimeon concreteshrinkageefect 图 6 混凝土加载龄期对混凝土徐变效应的影响 Fig.6 Influenceofconcreteloadingage 图 8 桥梁运营时间对混凝土徐变效应的影响 Fig.8 Influenceofoperationtime

5 196 西安科技大学学报 2015 年 2.3 运营时间对连续梁混凝土收缩徐变效应的影响图 7 和图 8 给出了桥梁运营时间对连续箱梁收缩徐变效应的影响从图 7 和图 8 可以看出, 当桥梁运营时间由 300d 增至 3000d 的过程中, 混凝土收缩效应不明显, 而混凝土的徐变效应显著其中, 混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移逐渐增大, 其最大增加量达 218%; 而截面弯矩基本不变混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩随运营时间的增加而逐渐增大, 并且截面竖向位移在距离主梁梁端约 80~90m 附近其变化量较大, 截面内力在跨中截面变化量较大, 其最大增加幅值分别为 2.245mm,381.0kN m. 3 结论 1) 随着环境相对湿度的增大, 混凝土收缩引起的连续梁竖向位移及截面弯矩逐渐减小, 并且当环境相对湿度由 40% 增大至 80% 的过程中, 桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量均为 479%; 混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩均逐渐减小, 桥梁竖向位移与截面弯矩的最大减小量分别为 62.7%,10.9%; 2) 当加载龄期由 4d 增加至 14d 的过程中, 混凝土收缩作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩总体呈增长趋势, 其最大增加量分别为 21.1% 以及 20.7%; 而混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩变化较小, 其最大减小量分别为 0.37% 以及 0.15%; 3) 当桥梁运营时间由 300d 增至 3000d 的过程中, 混凝土的收缩作用引起的连续梁竖向位移逐渐增大, 其最大增加量达 218%; 而截面弯矩基本不变 ; 混凝土徐变作用引起的连续梁竖向位移与截面弯矩随运营时间的增加而逐渐增大参考文献 References [1] 范立础. 预应力混凝土连续梁桥 [M]. 北京 : 人民交通出版社,1988. FAN Lichu.Prestresed concrete continuous beam bridge[m].beijing:china Communications Pres, [2] 邱继生, 姚谦峰, 郅彬. 预应力钢纤维混凝土梁纯扭作用下极限扭矩计算方法 [J]. 西安科技大学学报,2010,30(1):71-76,122. QIU Jisheng,YAO Qianfeng,ZHIBin.Calculation methodofultimatetorsionofprestresedreinforcedcon cretebeamscontainingsteelfibersintorsion[j].journal ofxi anuniversityofscienceandtechnology,2010,30 (1):71-76,122. [3] 李世伟. 收缩徐变效应对大跨度连续刚构桥长期下挠影响研究 [D]. 成都 : 西南交通大学,2013. LIShiwei.Studyonshrinkageandcreepefectforlong spancontinuousrigidframebridge slongterm deflec tion[d].chengdu:southwestjiaotonguniversity,2013. [4] 詹建辉, 陈卉. 特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析 [J]. 中外公路,2005,25(1): ZHANJianhui,CHENHui.Analysisofgirderdeflection andcracksinboxgirderoflargespancontinuousrigid framebridge[j].journalofchina& ForeignHighway, 2005,25(1): [5] 王法武, 石雪飞. 大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制分析 [J]. 上海公路,2006(1): WANGFawu,SHIXuefei.Analysisoflongterm de flectioncontroloflargespanprestresedconcretegirder bridges[j].shanghaihighway,2006(1): [6] 谢峻, 王国亮, 郑晓华. 大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状 [J]. 公路交通科技. 2007(1): XIEJun,WANGGuoliang,ZHENGXiaohua.Stateof artoflongtermdeflectionforlongspanprestresedcon creteboxgirderbridge[j].journalofhighwayand TransportationResearchandDevelopment,2007(1): [7] PeterFT.Deformationsinconcretecantileverbridges: obervationsandtheoreticalmodeling[d].norway:the NorwegianUniversityofScienceandTechnology,2002. [8] BrunoM,AndreP.Monitoringofaprestresedsegmental boxgirderbridgeduringstrengthening[j].pcijournal, 1994,39(3): [9] 王铁梦. 工程结构裂缝控制 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1997. WANGTiemeng.Crackcontrolofengineeringstructure [M].Beijing:ChineseBuildingIndustryPres,1997. [10] 丁文胜, 吕志涛, 孟少平, 等. 混凝土收缩徐变预测模型的分析比较 [J]. 桥梁建设,2004(6): DINGWensheng,LVZhitao,MENGShaoping,etal. Analysisandcomparisonofpredictionmodelsforcon creteshrinkageandcreep[j].bridgeconstruction,2004 (6): [11] 胡狄. 预应力混凝土桥梁徐变效应分析 [D]. 长沙 : 中南大学,2003. HUDi.Analysisofcreepefectofprestresedconcrete bridges[d].changsha:centralsouthuniversity,2003.

+ 四川理工学院学报自然科学版 ((((( ((((((( 年月采用精轧螺纹钢筋箱梁采用 6- 混凝土考虑到箱梁采用挂篮悬臂浇筑的施工方法主梁节段划分主要根据挂篮的最大承载力确定节段长度 - /7 / 共. 段悬臂浇筑节段每节段重量不超过 % 8 块长 / 边跨支架现浇长. / 边

+ 四川理工学院学报自然科学版 ((((( ((((((( 年月采用精轧螺纹钢筋箱梁采用 6- 混凝土考虑到箱梁采用挂篮悬臂浇筑的施工方法主梁节段划分主要根据挂篮的最大承载力确定节段长度 - /7 / 共. 段悬臂浇筑节段每节段重量不超过 % 8 块长 / 边跨支架现浇长. / 边第卷第期年月文章编号四川理工学院学报自然科学版!"#$%&##'##%##% ( )*!" 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝病害的加固方法分析高杰福建船政交通职业学院福州 - ## 摘 # 要以某高速公路上三跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥作为背景工程针对该桥墩顶和跨中出现的大量裂缝进行机理研究根据裂缝产生机理选择体外布置预应力束的加固方法应用空间杆系有限元精细化分析程序 $#*$

第 2 期 卫建军 : 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应 193 onthebendingmoment.boththeverticaldisplacementandbendingmomentcausedbyconcretecreep areinfluencedgreatlybybridg

第 2 期卫建军 : 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变效应 193 onthebendingmoment.boththeverticaldisplacementandbendingmomentcausedbyconcretecreep areinfluencedgreatlybybridg