钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板徐变效应研究.pdf

d o i:1 0. 3 9 6 3/ j . i s s n . 1 6 7 4 - 6 0 6 6. 2 0 1 7. 0 1. 0 1 4 钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板徐变效应研究 黄岳斌1, 卢志芳1 , 闫 龙 2 , 李 倩 1 ( 1.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室, 武汉4 3 0 0 7 0; 2.武汉理工大学航运学院, 武汉4 3 0 0 7 0) 摘 要: 针对混凝土徐变易引起钢-混组合连续梁桥负弯矩区混凝土桥面板开裂问题, 运用M i d a s/C i v i l建立6 8 5m港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥有限元模型, 分析负弯矩区混凝土桥面板徐变对主梁结构影响的规律。结果表 明: 混凝土徐变作用下, 成桥前3年负弯矩区混凝土桥面板压应力下降较快,1 0年时最大压应力为-3. 2 MP a; 成桥 1 0年边跨主梁最大挠度为-1 7. 6 7mm, 其中前3年主梁变形达到9 3. 0 4%。说明徐变对港珠澳大桥钢-混组合梁桥 成桥前3年影响最为显著, 成桥1 0年内负弯矩区混凝土桥面板一直处于受压状态。 关键词: 混凝土徐变; 负弯矩区; 桥面板; 钢-混组合连续梁桥 S t u d yo nC r e e pE f f e c t o fB r i d g eD e c k i nN e g a t i v eB e n d i n gM o m e n tA r e ao f S t e e l - c o n c r e t eC o m p o s i t eC o n t i n u o u sB e a mB r i d g e HU ANGY u e - b i n 1, L UZ h i - f a n g 1, Y ANL o n g 2, L IQ i a n 1 ( 1. H u b e iK e yL a b o r a t o r yo fR o a d w a yB r i d g e2. S c h o o l o fN a v i g a t i o n,Wu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Wu h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a) A b s t r a c t: T h e c r a c k i n go f c o n c r e t eb r i d g ed e c k i nn e g a t i v em o m e n t a r e ao f s t e e l - c o n c r e t e c o m p o s i t e c o n t i n u o u sg i r d - e rb r i d g ew a sc a u s e db yt h e c r e e po f c o n c r e t e . T h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l o f 68 5ms t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t e c o n t i n u - o u sg i r d e rb r i d g eo fH o n gK o n g - Z h u h a i - M a c a oB r i d g ew a se s t a b l i s h e db yM i d a s/C i v i l,a n dt h e i n f l u e n c eo fc r e e po f c o n c r e t eb r i d g ed e c ko nt h es t r u c t u r eo fg i r d e rw a sa n a l y z e d .T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ec o m p r e s s i v es t r e s so fc o n - c r e t eb r i d g ed e c k i nt h en e g a t i v em o m e n t a r e ad e c r e a s e sr a p i d l y i nt h e f i r s t 3y e a r su n d e r t h ea c t i o no f c o n c r e t ec r e e p, a n dt h em a x i m u mc o m p r e s s i v e s t r e s s i s-3. 2MP a i n1 0y e a r s . T h em a x i m u md e f l e c t i o no f t h e s i d eg i r d e r i s-1 7. 6 7 mmi n1 0y e a r s,a n dt h ed e f o r m a t i o no f t h em a i ng i r d e r sr e a c h e s9 3. 0 4%i nt h ef i r s t3y e a r s .T h ee f f e c to fc r e e po n t h es t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t eg i r d e rb r i d g eo f t h eH o n gK o n g - Z h u h a i - M a c a oB r i d g e i s t h em o s t s i g n i f i c a n t i nt h e f i r s t 3 y e a r s,a n dt h ec o n c r e t eb r i d g ed e c ki nt h en e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t a r e ah a sb e e nu n d e rp r e s s u r e f o r1 0y e a r s . K e yw o r d s: c o n c r e t ec r e e p; n e g a t i v eb e n d i n gm o m e n ta r e a; d e c k; s t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t ec o n t i n u o u sb e a m b r i d g e 收稿日期: 2 0 1 6 - 1 2 - 0 7. 基金项目: 湖北省科技支撑计划项目( 2 0 1 5 B AA 0 9 2) 和湖北省自然科学基金重点实验室项目(2 0 1 6 C F A 0 7 4). 作者简介: 黄岳斌( 1 9 9 2 -) , 硕士. E - m a i l:4 9 7 1 6 1 2 9 5q q . c o m 钢-混组合连续梁桥负弯矩区主梁处于钢梁受压、 混凝土桥面板受拉的不利受力状态, 随着时间的发展, 混凝土徐变导致组合梁发生应力重分布, 甚至造成混凝土桥面板开裂, 引起雨水渗漏、 钢梁锈蚀, 严重威胁其 运营安全与长寿耐久 1 - 4。港珠澳大桥浅水区非通航孔钢 -混组合连续梁桥是世界上规模最大的跨海组合梁 桥, 所处海洋环境复杂恶劣, 且设计使用寿命要求达到1 2 0年, 在设计施工时, 为提高负弯矩区混凝土桥面板 抗裂性能, 对负弯矩区采用高抗裂混凝土桥面板、 支座顶升回落与预应力钢束张拉等抗裂措施。因此开展港 珠澳大桥钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板徐变影响研究是十分必要的。 近年来, 刘亚茹 5等通过建立长期变形方程, 研究了徐变对钢 -混组合箱梁挠度影响。刘沐宇、 卢志 芳 6,7等通过建立温度、 湿度变化徐变模型, 明确了徐变对钢 -混组合桥梁的影响。陈亮 8等研究徐变对组合 06 建材世界 2 0 1 7年 第3 8卷 第1期 万方数据 梁斜拉桥长期变形、 应力变化影响。樊健生 9,1 0等通过试验和理论推导, 研究两跨钢 -混组合连续梁长期荷 载下负弯矩区桥面板裂缝开展情况。余志武 1 1等通过试验研究, 发现负弯矩区施加预应力钢束后, 负弯矩 区桥面板裂缝产生时间减缓。邢佶慧 1 2等利用 AN S Y S研究支座顶升回落、 跨中预加载和张拉高强钢筋等 施工措施对钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板预压应力的影响规律。综上所述, 目前国内外学者对钢-混 组合梁长期变形和负弯矩区混凝土桥面板开展相关研究, 但对于钢-混组合连续梁桥采用多种抗裂措施下负 弯矩区混凝土桥面板徐变效应尚需进一步进行研究。 因此, 文中以港珠澳大桥浅水区非通航孔68 5m钢-混组合连续梁桥为工程背景, 运用大型有限元软 件M i d a s/C i v i l建立全桥有限元模型, 基于现行桥规模型, 开展钢-混组合连续梁桥负弯矩区混凝土桥面板徐 变效应研究。 1 工程概况 港珠澳大桥浅水区非通航孔桥为8 5m等跨连续组合梁桥, 跨径布置为(56)8 5m, 见图1。全桥分 为左右两幅, 每幅桥宽为1 6. 3m, 全桥总宽为3 3. 1m。主梁采用开口槽形钢箱梁与混凝土桥面板等高组合 箱梁, 梁中心高4. 3m。钢箱梁采用Q 3 4 5 q D钢材, 上翼缘板宽1 2m, 下翼缘板宽6. 7m。混凝土桥面板宽 1 6. 3m, 其中2 # 6 #墩顶2 4m范围内负弯矩区混凝土桥面板采用高抗裂混凝土, 板厚0. 5m, 其余部分采 用C 6 0海工混凝土, 板厚0. 2 8m。桥面板采用分块预制, 存放1 8 0d后与钢主梁结合, 如图2所示。2 # 6 # 墩顶负弯矩区桥面板内布置8束 s 1 5. 2纵向预应力钢绞线, 张拉控制应力为13 9 5MP a。 2 港珠澳大桥组合连续梁桥有限元模型 2. 1 有限元模型建立 采用大型桥梁专业软件M i d a s/C i v i l, 建立港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥68 5m全桥有限元模型。 钢箱梁和混凝土桥面板采用梁单元模拟, 两者之间通过施工阶段联合截面连接, 忽略小纵梁和桁架式横隔板 影响。全桥共有12 1 2个节点, 11 8 2个单元, 如图3所示。预制桥面板考虑1 8 0d加载龄期, 计算分析成桥 1 0年混凝土桥面板徐变效应对钢-混组合连续梁桥的影响。 为准确分析徐变效应, 有限元模型对施工过程进行模拟, 共计1 4个施工阶段, 主要步骤如下: 1) 整孔吊装架设桥面板部分组合钢箱梁形成简支结构; 16 建材世界 2 0 1 7年 第3 8卷 第1期 万方数据 2) 焊接墩顶钢箱梁, 由简支转化成连续结构; 3) 顶升4 #墩顶钢箱梁, 通过强制位移实现, 顶升高度为0. 3 8m, 浇筑墩顶左右各1 2m后浇带湿接缝并 张拉预应力钢束; 4) 回落4 #墩顶梁段; 5) 重复步骤34, 向两边依次对称施工,3 #、 2 #墩处顶升高度分别为0. 2 8m、 0. 4 2m, 浇筑剩余桥墩处 后浇带湿接缝与张拉相应的预应力钢束; 6) 二期恒载施加。 2. 2 徐变计算模型 表1 混凝土材料特性 混凝土2 8d立方体抗压强度/MP a 2 8d轴心抗拉强度/MP a弹性模量/1 0 4 MP a 纤维含量/ ( k g m-3) HC6 02. 8 53. 6 0 G C7 6. 95. 5 53. 9 44 注:HC为C 6 0海工混凝土;G C为高抗裂混凝土。 运用M i d a sC i v i l有限元程序中嵌入的中国现行规范模型, 并在参数设定中分别考虑混凝土的实际材料 特性( 见表1) , 对港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥进行徐变效应分析。中国现行规范徐变模型基于C E B - F I P 9 0模型, 结合实际环境情况得到, 预测精度高。徐变计算公式具体如下 ( t,t0)=0c(t,t0) ( 1) 0=R H(fc m ) ( t0) ( 2) R H=1+( 1-R H/R H0) / 0. 4 6(h/h0) 1 3( 3) (fc m)=5. 3 / fc m/fc m 0 ( 4) ( t0)= 1 0. 1+(t0/t1) 2 ( 5) ( t,t0)= ( t-t0) /t1 H+( t-t0) /t 1 0. 3 ( 6) H=1 5 01+( 1. 2R H RH0) 1 8 h h0 +2 5 015 0 0(7) 式中, ( t,t0) 为加载龄期为t0, 计算时刻为t时的徐变系数; c( t,t0) 为徐变随时间发展系数;fc m为混凝土 2 8d龄期下立方体抗压强度平均值,MP a;RH为环境年平均相对湿度值,%;h为构件理论厚度,mm; RH0=1 0 0%;fc m 0=1 0MP a;t1=1d;h0=1 0 0mm。 3 港珠澳大桥负弯矩区混凝土桥面板徐变效应分析 3. 1 混凝土桥面板应力分析 港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥结构对称, 取2 # 4 #墩顶支座处桥面板为研究对象, 成桥初期至成桥 1 0年时桥面板上缘、 下缘应力值如图4图5所示( 拉应力为正, 压应力为负) 。 由图4可知, 徐变作用下, 钢-混组合连续梁桥桥面板上缘压应力下降, 成桥初期2 # 4 #墩支点处桥面 板上缘压应力分别为-6. 2 MP a、-4. 6 MP a、-5. 0 MP a, 成桥前3年桥面板压应力降幅较大, 降至 -4. 1MP a、-3. 2 MP a、-3. 5 MP a, 成 桥3年成 桥1 0年 应 力 变 化 幅 度 减 小, 成 桥1 0年 时 降 至 -3. 2MP a、-2. 7MP a、-2. 9MP a, 最大降幅为4 8. 3 9%。 由图5可知, 成桥初期2 #、 3 #、 4 #墩支点处混凝土桥面板下缘压应力分别为-4. 0MP a、 -3. 1MP a、 26 建材世界 2 0 1 7年 第3 8卷 第1期 万方数据 -3. 3MP a, 成桥前3年桥面板压应力降幅较大, 降至-2. 7MP a、-2. 1MP a、-2. 3MP a, 成桥3年成桥 1 0年应力变化幅度减小, 成桥1 0年时降至-2. 1MP a、-1. 6MP a、-1. 7MP a, 最大降幅为4 7. 5 0%。 综上所述, 徐变作用下, 成桥前3年负弯矩区混凝土桥面板压应力下降较快, 成桥3年1 0年压应力下 降逐渐减缓, 成桥1 0年各墩顶负弯矩区混凝土桥面板均为压应力, 远小于高抗裂混凝土抗拉强度5. 5MP a, 负弯矩区混凝土桥面板不开裂。 3. 2 预应力损失分析 港珠澳大桥负弯矩区混凝土桥面板设置纵向预应力钢束以进 一步提高混凝土桥面板的压应力储备, 在不同时间下预应力损失 值如表2所示。 从表2可知, 徐变作用下, 负弯矩区钢束预应力损失最大值随 着时间的发展不断增加, 成桥3年时2 #、 3 #、 4 #墩处预应力损失 最大值分别为-2 8. 4MP a、-2 5. 4MP a、-2 4. 6MP a, 成桥1 0年 时分别为-3 8. 0MP a、-3 4. 9MP a、-3 3. 9MP a。成桥前3年预 应力损失值增加较快, 达到成桥1 0年时的7 4. 6 8%、7 2. 7 1%、 7 2. 7 0%, 成桥3年1 0年预应力损失值增幅逐渐减小, 其中各墩 表2 预应力损失最大值/MP a 时间/a 2 #墩 3 #墩 4 #墩 张拉初期 -1. 3-1. 3-1. 3 1-2 1. 0-1 8. 3-1 7. 8 3-2 8. 4-2 5. 4-2 4. 6 5-3 2. 5-2 9. 3-2 8. 5 1 0-3 8. 0-3 4. 9-3 3. 9 顶处预应力损失值随时间变化规律相同, 2 #墩处预应力损失值最大, 也说明了徐变对2#墩处影响最大。 3. 3 长期变形分析 港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥在徐变作用下挠度不 断加剧, 各跨挠度最大值依次为边跨跨中、 中跨跨中、 次边 跨跨中, 各跨跨中挠度最大值随时间发展变化如图6所 示。 由图6可知, 混凝土徐变作用下, 港珠澳大桥钢-混组 合连续梁桥各跨跨中挠度发展速度各不相同, 边跨跨中挠 度发展速度最快、 中跨跨中挠度次之、 次边跨跨中挠度最 慢。成桥初期, 边跨、 次边跨、 中跨跨中挠度最大值分别为 - 9. 6 3mm、-5. 4 8mm、-5. 6 3mm, 成桥3年时, 边跨、 次边跨、 中跨跨中挠度最大 值分别达到-1 6. 4 4 mm、 -5. 7 4mm、-7. 6mm, 成桥1 0年时, 边跨、 次边跨、 中跨 跨中挠度最大值分别达到-1 7. 6 7mm、-5. 8 1mm、-7. 9 8mm。成桥前3年边跨、 次边跨、 中跨跨中挠度 增加较快, 分别达到成桥1 0年时的9 3. 0 4%、 9 8. 7 9%、9 5. 2 4%, 成桥3年1 0年挠度增加逐渐减缓, 说明徐 变对钢-混组合连续梁桥主梁变形的影响在成桥前3年显著, 之后逐渐减小。 4 结 论 a .港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥在徐变作用下, 预应力钢束成桥1 0年时最大损失值达到-3 8. 0MP a; 36 建材世界 2 0 1 7年 第3 8卷 第1期 万方数据 负弯矩区混凝土桥面板压应力不断降低, 成桥1 0年时, 混凝土桥面板最大值降为-3. 2MP a, 具有足够的压 应力储备抵抗裂缝产生。 b .徐变对港珠澳钢-混组合连续梁桥边跨变形影响较大, 成桥1 0年时, 边跨跨中最大挠度值达到 -1 7. 6 7mm, 说明设计时需要充分考虑混凝土徐变对钢-混组合桥梁的影响。 参考文献 1 邱文亮,姜 萌,张 哲.钢-混凝土组合梁收缩徐变分析的有限元方法J.工程力学,2 0 0 4,2 1(4) :1 6 2 - 1 6 6. 2 O k u iY.D e s i g nI s s u e sf o rS t e e l - C o n c r e t eC o m p o s i t eG i r d e r sA. C h i n a - J a p a nJ o i n tS e m i n a ro nS t e e la n dC o m p o s i t e B r i d g e sC. S h a n g h a i:I n s t i t u t eo fB r i d g ea n dS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 7. 3 李法雄,王晓夫,黄厚卿, 等.钢-混凝土组合梁斜拉桥收缩徐变影响J.公路交通科技,2 0 1 3,3 0(1 0) :1 0 4 1 - 1 0 4 9. 4 韩春秀,周东华,杨艳华, 等.组合梁徐变和收缩应力重分布的代数本构方程求解J.哈尔滨工程大学学报,2 0 1 6, 3 7(8) :1 0 4 1 - 1 0 4 9. 5 刘亚茹,刘小洁.考虑徐变的钢-混凝土组合箱梁的变形计算J.铁道科学与工程学报,2 0 1 5(2) :3 1 7 - 3 2 2. 6 刘沐宇,袁卫国,刘伟方, 等.温湿变化对三塔结合梁斜拉桥徐变