混凝土徐變對系桿拱橋影響探析范文

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《安徽建筑大學學報》2016年第3期

摘要：

收縮徐變作為混凝土結構固有特性,隨著時間地延伸，它會不斷地變化[1]。尤其針對一些比較敏感的混凝土結構，如懸臂端、預應力混凝土連續梁等,其收縮徐變影響更為明顯。本文以一工程實例為背景，利用有限元軟件邁達斯進行橋梁模擬，通過對不同收縮徐變情況的探討，得出混凝土收縮徐變對系桿拱橋的影響。

關鍵詞：

收縮；徐變；邁達斯；系桿拱橋 

0引言

在混凝土凝結的過程中，其體積受到物理、化學的作用而發生減小的現象稱為混凝土收縮[2]。在長期的荷載作用下，結構或材料承受的應力不變，混凝土的應變將隨著時間的增加而增加的現象稱為混凝土徐變[2]。隨著公路交通事業的快速發展，越來越多的橋梁需要修建，所以混凝土的收縮徐變對橋梁結構的影響越來越明顯。鋼筋混凝土或預應力混凝土系桿拱橋的加勁梁及拱肋一般體積較大，隨時間而變化的收縮徐變受到內部配筋的約束將導致內力的重分布[2]。并且，系桿拱橋的吊桿是錨固在端部的橫梁和拱肋上的，主拱圈、吊桿和橫梁組成一個相互連接的體系，因此混凝土的收縮徐變必然引起吊桿的內力及主拱圈撓度的變化。所以，從鋼筋混凝土及預應力混凝土系桿拱橋結構的安全性和線形穩定性的角度出發，必須把混凝土收縮徐變對其結構的影響加以考慮。對橋梁結構在施工、使用過程中的安全性、耐久性有著科學的現實意義。

1收縮徐變原理

1.1收縮原理及影響參數

混凝土的收縮一般指在空氣中收縮。一般來說,混凝土的收縮機理主要有硬化收縮、失水收縮、碳化收縮三種[4]。隨著時間的推移，混凝土的收縮產生的變形在增加，在混凝土化學反應初期，其收縮產生的變形發展最快；一般情況下，兩周內可完成全部收縮的1/4；一個月可完成全部收縮的1/2；三個月后，其變形增長的速度變得緩慢；兩年以后基本趨于穩定，其收縮值最終約為(2—6)×10-4[3]。針對混凝土收縮的原因，首先是混凝土在制作過程中，其配合比和組成是影響混凝土收縮的重要原因。水泥用量和水灰比越大，混凝土的收縮就越大；再次是在前期的水泥凝固結硬過程中，水泥石在水化反應產生的體積變化；其次是在養護過程中，自由水分在混凝土內部的蒸發而引起的結構干縮，干燥缺水也是導致收縮變大的重要因素。因此，混凝土構件的養護，應保持在溫度與濕度適宜、水分充足的環境中進行。在高溫濕養（蒸汽養護）環境中，混凝土水化作用得到加快，混凝土中的自由水分明顯減少，所以混凝土的收縮就變小了；相反，如果在溫度、濕度不適宜的環境中，溫度越高，相對濕度越低，其收縮變形就越大。

1.2徐變原理及影響參數

混凝土徐變的主要原因，是由于混凝土在荷載長期作用下，混凝土中的凝膠體水分的逐漸壓出導致水泥石的穩定性遭到破壞，引起了水泥石之間的粘性流動，其結構中的微細空隙因結構的蠕動而逐漸閉合，從而結晶體在結構內部逐漸滑落，結構中微小的裂縫逐漸產生[5]。混凝土徐變的影響因素有很多，其主要的因素有以下幾個方面：1)在長期荷載作用下，混凝土產生的壓應力大小。當壓應力≤0.5fc時，徐變與應力成正比關系，稱為線性徐變；當壓應力介于(0.5-0.8)fc之間時，徐變與應力成非線性關系，增長較應力的增長快；當壓應力＞0.8fc時，容易造成結構的徐變破壞，徐變往往是不收斂的，是設計中所不允許的。2)荷載添加時，混凝土的齡期。混凝土在加載過程中，所具有的的齡期越短，則徐變結果越大。3)混凝土制作時的組成和配比。混凝土的徐變與材料的配比有關；中集料的體積比越小，徐變越小；水灰比越小，徐變也與越小，且在常溫的情況下，徐變月水灰比近似線性關系。4)在養護和使用過程中環境的溫度及濕度。混凝土在養護過程中，溫度越高，濕度越大，水泥的水化作用就越徹底，造成的徐變就越小；反之，則徐變就越大；因此，在混凝土養護期間，應避免在高溫干燥的環境下進行養護。

2工程背景

某系桿拱橋為計算跨徑是66m的下承式鋼筋混凝土系桿拱橋，計算矢高是13.2m，矢跨比為1/5。全橋共設2道縱梁，17道橫梁。其中縱梁為預應力混凝土實體長方形截面，高2.4m、寬1.8m；橫梁分為端橫梁與中橫梁；端橫梁采用高2.14m，寬2.2m，厚度0.45m的預應力混凝土長方形空心截面；中橫梁采用高1.5m，寬0.6m的預應力混凝土實體長方形截面。橋面結構采用縱橫梁體系，上部鋪上整體橋面板。對該橋利用有限元程序Midas進行結構建模及分析。分別建立不同的收縮徐變工況，得出不同工況下的分析結果。橋梁采用Midas進行建模，根據公路橋涵設計規范，全橋共建立節點283個，單元330個。其中，橫梁、縱梁、主拱圈采用的是梁單元；吊桿采用的是只受拉桿單元。所建的有限元模型如圖1所示。

3混凝土收縮徐變對系桿拱橋的影響

系桿拱橋在建模分析過程中，分別建立了兩種工況進行研究。第一種是橋梁結構在建模過程中，添加不同的加載齡期給橋梁結構造成的影響；第二種是橋梁結構在建模過程中，設置不同的相對濕度給橋梁結構造成的影響。

3.1加載齡期不同的影響分析

加載齡期不同是指在系桿拱橋在模型建立完成后，再分別建立3天、7天、一個月、半年、一年不同的加載齡期。根據Tells有限元計算分析，得出系桿拱橋在各個加載齡期下主拱圈線型變化及吊桿張拉力的變化。

1)主拱圈線型變化成橋完成后，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后加載齡期為3天、7天、一個月、半年、一年下的影響進行對比，得出主拱圈線型的變化，見圖2所示。

2)吊桿張拉力變化成橋完成后，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后加載齡期為3天、7天、一個月、半年、一年下的影響進行對比，得出吊桿張拉力的變化，見圖3所示。

3.2相對濕度不同的影響分析

相對濕度不同是指在系桿拱橋在模型建立過程中，分別定義混凝土年平均相對濕度為40%、60%、80%。根據邁達斯有限元計算分析，得出系桿拱橋在各個相對濕度下主拱圈線型變化及吊桿張拉力的變化。

1)主拱圈線型變化建模過程中，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后相對濕度為40%、60%、80%下的影響進行對比，得出主拱圈線型的變化，見圖4所示。

2)吊桿張拉力變化建模過程中，以不考慮混凝土收縮徐變與考慮混凝土收縮徐變后相對濕度為40%、60%、80%下的影響進行對比，得出吊桿張拉力的變化，見圖5所示。

4結論

通過以上對比分析，可以得出以下結論：

1）在混凝土收縮徐變的情況下，隨著加載齡期地增長，靠近支座處的吊桿張拉力增量變化最大，其中加載齡期為一年時，支座處吊桿張拉力增量值為3.6kN；隨著加載齡期地增長，跨中處的主拱圈撓度增量變化最多，其中加載齡期為一年時，主拱圈撓度增量為1.1cm。因此，在施工過程中，應考慮到荷載加載時間，不能過早的把荷載加載到新澆筑的結構上。

2）在混凝土收縮徐變的情況下，隨著相對濕度地減小，吊桿張拉力在增大，其中靠近支座處的吊桿張拉力增量變化最大，當相對濕度為40%時，吊桿張拉力增量為4.4kN；隨著相對濕度地減小，跨中主拱圈的撓度在變大，其中相對濕度為40%時，主拱圈撓度增量為1.5cm。因此，在施工過程中，應增加結構物環境周圍的相對濕度，減少混凝土的收縮徐變量。

參考文獻：

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作者:吳圣賢 單位:合肥工業大學土木與水利工程學院