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      大跨度波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋徐變效應(yīng)研究

      2021-11-05 04:33:34胡逸凡王綿坤孫約瀚荊國(guó)強(qiáng)
      鐵道建筑技術(shù) 2021年10期
      關(guān)鍵詞:剛構(gòu)成橋徐變

      胡逸凡 王綿坤 孫約瀚 荊國(guó)強(qiáng)

      (1.溫州市七都大橋北汊橋建設(shè)有限公司 浙江溫州 325099;2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政工程系廣東廣州 510635;3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川成都 610031;4.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司湖北武漢 430034;5.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430034)

      1 引言

      波形鋼腹板(Corrugated Steel Web,CSW)預(yù)應(yīng)力組合箱梁橋起源于法國(guó),與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土(Prestressed Concrete,PC)箱梁相比優(yōu)勢(shì)顯著[1-2]。目前,該橋型已在德國(guó)、挪威、美國(guó)、韓國(guó)、日本得到廣泛應(yīng)用[3],我國(guó)的波形鋼腹板橋梁也在迅速發(fā)展[4-5]。在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中,混凝土徐變是引起結(jié)構(gòu)下?lián)系闹饕蛩?,同時(shí)徐變還會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力的重分布[6-7],對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受力性能的影響不容忽視,在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)充分考慮。波形鋼腹板箱梁的頂?shù)装宀牧蠟榛炷粒拱宀牧蠟殇摬?,兩種材料特性差異很大,同時(shí)徐變可能引起箱梁混凝土頂?shù)装?、波形鋼腹板之間的應(yīng)力重分布,并引起預(yù)應(yīng)力損失,對(duì)橋梁的長(zhǎng)期變形和內(nèi)力產(chǎn)生重要影響,近幾年受到廣泛關(guān)注。李立峰[8]對(duì)波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁在長(zhǎng)期荷載下的徐變效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁徐變計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)參數(shù)分析結(jié)果表明,波形鋼腹板截面能有效減小徐變效應(yīng),從而減小長(zhǎng)期徐變效應(yīng)引起的反拱。李明[9]建立了一座等截面波形鋼腹板與預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的模型,對(duì)比分析了徐變效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)力以及位移的變化。唐楊[10]建立了一座大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋模型,研究環(huán)境相對(duì)濕度、混凝土加載齡期、持續(xù)加載時(shí)間、混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及橋墩高度對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋收縮徐變的影響。熊鋒[11]研究了剪切變形對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋徐變效應(yīng)的影響,得出剪切變形對(duì)徐變應(yīng)力與徐變變形均產(chǎn)生明顯影響,且徐變應(yīng)力減小而徐變變形增大的結(jié)論。楊彥海[12]從徐變效應(yīng)、徐變影響因素以及徐變計(jì)算方法對(duì)波形鋼腹板以及混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了對(duì)比研究。徐變效應(yīng)對(duì)于大跨徑橋梁的影響十分顯著,特別近年大跨度橋梁由于徐變效應(yīng)產(chǎn)生的跨中撓度增加,甚至腹板開(kāi)裂的問(wèn)題層出不窮,現(xiàn)有波形鋼腹板主梁與混凝土主梁徐變效應(yīng)的對(duì)比研究主要集中在簡(jiǎn)支梁,對(duì)大跨徑波形鋼腹板橋梁徐變效應(yīng)研究較少,因此對(duì)大跨徑波形鋼腹板橋梁的研究具有較大意義。

      本文采用大型通用有限元軟件Midas/Civil建立一座3跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁,其中主梁分別采用波形鋼腹板與混凝土箱梁,對(duì)比分析截面類(lèi)型不同時(shí),主梁與墩頂位移、主梁頂?shù)装鍛?yīng)力以及預(yù)應(yīng)力損失,旨在為修建同類(lèi)型的大跨度波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋梁提供參考。

      2 工程概況

      本文以一座波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象,該橋跨徑布置為(105+190+105)m,橋型布置如圖1所示。箱梁頂板寬16.5 m,底板寬9.5 m,外翼板懸臂長(zhǎng)3.5 m。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高5.0 m,箱梁根部斷面梁高為11.7 m。從箱梁根部至跨中及邊跨現(xiàn)澆段,梁高以1.8次拋物線(xiàn)變化。箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力與體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的方式進(jìn)行配置。

      圖1 橋型布置(單位:cm)

      箱梁0號(hào)段長(zhǎng)11.6 m(包括橋墩兩側(cè)各外伸1.3 m),每個(gè)T構(gòu)縱橋向劃分為22個(gè)梁段,梁段長(zhǎng)度從根部至端部分別為2×3.0 m、8×3.6 m、11×4.8 m。1~22號(hào)梁段采用掛籃懸臂澆筑施工,懸臂澆筑梁段最大控制重量274 t,掛籃設(shè)計(jì)自重110 t。全橋合計(jì)共有3個(gè)合龍段,合龍段長(zhǎng)度均為3.2 m。邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)8.2 m。

      3 截面設(shè)計(jì)及有限元模型

      3.1 截面設(shè)計(jì)

      為保證CSW截面與PC截面在同等條件下對(duì)比其徐變性能,以截面抗彎承載力與腹板抗剪承載力一致為目標(biāo)設(shè)計(jì)兩類(lèi)截面,腹板抗剪承載力的等效換算公式:

      式中:t為混凝土腹板厚度;[τ1]為鋼板的容許抗剪強(qiáng)度;[τ]為混凝土的容許抗剪強(qiáng)度;t1為波形鋼腹板厚度。

      根據(jù)式(1)可得到腹板厚度,在箱梁底板尺寸一致且頂?shù)装迮浣钕嗤那闆r下,將頂板根據(jù)抗彎承載力等效,則可通過(guò)試算調(diào)整頂板各部分分塊尺寸,使得兩種截面的抗彎承載力一致。

      根據(jù)以上等效方法,可得到如圖2所示的CSW截面與PC截面尺寸。

      圖2 截面尺寸(單位:mm)

      3.2 有限元模型

      橋梁有限元模型采用Midas軟件建立,主梁截面采用CSW截面與PC截面分別建模,全橋模型共分為89個(gè)施工階段。主梁采用C60混凝土,彈性模量為3.6×104MPa;橋墩采用C30混凝土,彈性模量為3×104MPa。為便于比較,CSW截面與PC截面均采用相同的體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力鋼束采用?15.2 mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線(xiàn),彈性模量為1.95×105MPa。施工時(shí),邊跨采用支架現(xiàn)澆方式施工,其余部分采用懸臂澆筑施工。主墩與主梁之間采用剛性連接,主墩底部采用固結(jié)處理,邊跨支座采用滑動(dòng)鉸支座進(jìn)行模擬。有限元空間計(jì)算模型如圖3所示。有限元模型采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)中規(guī)定的徐變模型計(jì)算徐變效應(yīng),徐變的時(shí)變效應(yīng)采用逐步計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算,相對(duì)濕度為70%,構(gòu)件理論厚度為0.001,水泥種類(lèi)系數(shù)取5.0,其他參數(shù)由程序自動(dòng)生成。

      圖3 有限元模型

      4 波形鋼腹板與普通混凝土腹板連續(xù)剛構(gòu)橋徐變效應(yīng)對(duì)比分析

      4.1 主梁跨中以及墩頂變形分析

      大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋在徐變作用下,主梁變形不斷增大,同時(shí)橋墩墩頂也會(huì)產(chǎn)生一定的變形。本節(jié)以成橋階段為基準(zhǔn),提取CSW連續(xù)剛構(gòu)橋和PC連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中撓度以及墩頂變形,并進(jìn)行差分,得到跨中撓度以及墩頂變形隨時(shí)間的變化率,如圖4~圖5所示。

      圖4 跨中撓度增量

      圖5 左墩墩頂水平位移增量

      由圖4可以看出:總體上PC連續(xù)剛構(gòu)橋的徐變撓度較CSW連續(xù)剛構(gòu)橋大,成橋20年時(shí),前者為后者徐變變形的1.64倍,說(shuō)明在橋梁運(yùn)營(yíng)后期,CSW連續(xù)剛構(gòu)橋能一定程度上克服長(zhǎng)期變形對(duì)行車(chē)舒適性的影響,且由于采用CSW代替了傳統(tǒng)的混凝土腹板,也會(huì)減少腹板開(kāi)裂的現(xiàn)象。在成橋前期,兩種結(jié)構(gòu)撓度均隨時(shí)間明顯增大,CSW連續(xù)剛構(gòu)增長(zhǎng)速率要明顯低于PC連續(xù)剛構(gòu),后者為前者的1.76倍,后期兩種橋梁撓度增長(zhǎng)速率逐漸變緩。

      由圖5可以看出:CSW連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂位移以及變化率均較PC連續(xù)剛構(gòu)橋大,且位移逐漸向跨中方向增大,成橋20年時(shí),前者水平位移為后者的1.21倍,說(shuō)明隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加,CSW連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩受力較為不利,需要通過(guò)增大墩高等方式減小推力帶來(lái)的不利影響。

      4.2 頂?shù)装鍛?yīng)力分析

      圖6為成橋20年時(shí)兩種橋梁截面的徐變應(yīng)力對(duì)比曲線(xiàn),圖中橫坐標(biāo)表示截面坐標(biāo)距離橋梁左端點(diǎn)的距離。

      由圖6a可以看出:徐變導(dǎo)致的跨中處截面上緣應(yīng)力最大,且PC連續(xù)剛構(gòu)較CSW連續(xù)剛構(gòu)大,增幅達(dá)111%;由圖6b可以看出,徐變導(dǎo)致的跨中處截面下緣應(yīng)力最大,且PC連續(xù)剛構(gòu)較CSW連續(xù)剛構(gòu)大,增幅達(dá)49%,這說(shuō)明CSW連續(xù)剛構(gòu)能有效減小混凝土的徐變應(yīng)力,從而可以?xún)?yōu)化混凝土截面,使上下底板混凝土用量更少,達(dá)到節(jié)省工程量的目的。

      根據(jù)圖6計(jì)算結(jié)果,最不利徐變應(yīng)力位于橋梁中跨跨中截面,因此本文給出橋梁中跨跨中截面上下緣的徐變應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn),見(jiàn)圖7。由圖7可知,成橋初期,截面徐變應(yīng)力隨時(shí)間變化較快,且CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變應(yīng)力的增加速度要慢于PC連續(xù)剛構(gòu);15年后,兩種橋梁結(jié)構(gòu)的徐變應(yīng)力均不再增加。對(duì)比兩圖可知,頂板的徐變應(yīng)力增加速度要快于底板。CSW連續(xù)剛構(gòu)截面上、下緣徐變應(yīng)力在成橋20年與成橋初期相比增幅分別為186%、191%,PC連續(xù)剛構(gòu)截面上、下緣徐變應(yīng)力在成橋20年與成橋初期相比增幅為308%、292%,且從圖中可以看出:成橋初期徐變應(yīng)力均較小,說(shuō)明長(zhǎng)期徐變效應(yīng)對(duì)混凝土的應(yīng)力影響較大,而CSW連續(xù)剛構(gòu)可減小這種不利效應(yīng)。

      圖6 徐變引起的截面應(yīng)力變化(20年)

      圖7 跨中截面應(yīng)力及應(yīng)力變化率

      4.3 預(yù)應(yīng)力損失分析

      為分析CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化規(guī)律,本文選取代表性的體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力,并給出兩種預(yù)應(yīng)力損失以及損失速率隨時(shí)間變化規(guī)律,見(jiàn)圖8。

      圖8 預(yù)應(yīng)力損失及損失速率隨時(shí)間變化規(guī)律

      由圖8a可知:體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失在成橋初期,CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC連續(xù)剛構(gòu)數(shù)值分別為25.7 MPa與22.1 MPa,成橋20年時(shí)分別為99.6 MPa與93.4 MPa,出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榍罢哳A(yù)應(yīng)力損失變化速率比后者稍快,在成橋20年時(shí),CSW連續(xù)剛構(gòu)相比PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失大6.2%。

      由圖8b可知:在成橋初期,CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失相差4 MPa,但前者比后者的徐變預(yù)應(yīng)力損失率大,因此,在成橋20年時(shí),CSW連續(xù)剛構(gòu)比PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失大22.8%。

      由上述分析可知:無(wú)論采用體外預(yù)應(yīng)力或體內(nèi)預(yù)應(yīng)力,CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失均較PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大,采用體外預(yù)應(yīng)力時(shí)前者的預(yù)應(yīng)力損失變化率更大。需要注意的是,成橋20年時(shí),兩種橋梁結(jié)構(gòu)采用體外預(yù)應(yīng)力的徐變預(yù)應(yīng)力損失更小,因此,總體上看,采用體外預(yù)應(yīng)力更適合大跨CSW連續(xù)剛構(gòu)橋梁。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      (1)PC連續(xù)剛構(gòu)中跨跨中徐變導(dǎo)致的撓度大于CSW連續(xù)剛構(gòu),成橋20年時(shí),前者為后者徐變變形的1.64倍,這說(shuō)明CSW連續(xù)剛構(gòu)將顯著改善跨中撓度變形以及下?lián)线^(guò)大導(dǎo)致的腹板開(kāi)裂等一系列問(wèn)題。

      (2)成橋20年時(shí),CSW連續(xù)剛構(gòu)墩頂水平位移為PC連續(xù)剛構(gòu)橋的1.21倍,說(shuō)明隨橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加,CSW連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)τ跇蚨盏氖芰^不利,需采取增大墩高等方式減小不利影響。

      (3)在相同預(yù)應(yīng)力配置下,CSW連續(xù)剛構(gòu)頂?shù)装逍熳儜?yīng)力明顯小于PC連續(xù)剛構(gòu),有利于混凝土頂?shù)装宓膬?yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到節(jié)省材料的目的。

      (4)CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失較PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大,說(shuō)明采用CSW連續(xù)剛構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失較為不利??傮w上看,采用體外預(yù)應(yīng)力更適合大跨CSW連續(xù)剛構(gòu)橋梁。

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