江汉特大桥南岸堤桥混凝土徐变效应分析

摘要：南岸堤桥位于湖北仙桃，结构采用连续梁。结合该桥施工特点，采用有限元步进法对该桥混凝土徐变效应进行了计算分析。计算结果表明考虑混凝土徐变影响的应力理论计算结果和实测结果能较好的吻合。

关键词：连续梁桥；徐变；有限元分析

中图分类号：K928文献标识码： A

The analysis of the concrete creep for Jiang Han bridge

Huang Hai-bin , Wu Zhen-Rong

（Ningbo urban construction design&research institute , Ningbo 315012 ,China）

Abstract: The south bridge is located in Xiantao, Hubei province in the form of continuous girder bridge. Combined with the characteristics of its construction, the effects of its concrete creep is caculated by the way of finite element analysis. the results demonstrates that the calculation for the effects of concrete creep in theory correponds very well to the results in practice.. Creep actually has quite an effect on the shape of bridge vertically.

Key word : continuous girder bridge ; creep ; finite element analysis

0 引言

徐变效应分析是混凝土桥梁结构设计计算和施工监控预拱度计算的一项重要组成部分。对于大跨度的混凝土桥梁一般采用悬臂法分节段施工，各个节段的加载龄期一般都不相同。混凝土的徐变对结构内力及主梁的长期变形均有很明显的影响。

1 工程概述

汉江特大桥跨南岸堤桥为（50+80+50）米连续箱梁。连续箱梁中跨墩顶支点处平均梁高3.97m，跨中平均梁高1.875m，跨中梁高与跨径之比为1/42.67，支点处梁高与跨径之比为1/20.13，跨中梁高与支点处梁高之比为1/2.12。主梁为三向预应力混凝土箱梁，混凝土等级为C50，采用挂篮悬臂施工。在主墩两侧3.75m处分别设置两根D800mm钢管砼作为临时支撑。

2 南岸堤桥施工工艺

南岸堤桥的施工顺序为：①桩基承台和桥墩；②搭接主墩平台，现浇0号块；③拆除平台，安装挂篮；④对称浇筑10对梁段；⑤现浇边跨尾段混凝土；⑥边跨合龙；⑦拆除主墩两侧临时支架；⑧中跨合龙；⑨附属设施等。

南岸堤桥中跨共有21 个节段，边跨有14个节段 (见图 1) 。

3 徐变介绍

3.1 混凝土的徐变

混凝土的徐变是指在荷载作用下，结构变形随时间而增长的特性。影响徐变的参数有很多，如混凝土配合比、湿度、温度、加载龄期、持荷时间等。

3.2 徐变计算的基本假定

① 当混凝土的压应力不超过抗压强度的50％，拉应力不超过抗拉强度的80％时，混凝土的弹性应变和徐变应变都于应力保持线性关系。目前国内外混凝土桥梁在施工过程中压应力基本都控制在50％的抗压强度，所以在施工阶段的徐变计算可以利用叠加原理。最终总的内力、位移、应力等计算结果是由各阶段各单项影响因素, 即位移叠加和应力叠加。

② 实际预应力混凝土桥梁中都配置构造筋，在计算中，由于预应力混凝土结构的配筋率小，所以忽略构造筋的影响。把结构当作素混凝土，能很好的简化计算。

4 南岸堤桥徐变计算

4.1 计算理论与方法

4.1.1 计算理论

采用按龄期调整的有效模量法。该方法就是利用老化系数来考虑混凝土老化对徐变的影响，根据Trost-Bazant理论，在 到时间内，应力从变化到，混凝土的总应变为 （1）

式中：、分别为加载时刻和任意时刻混凝土的应力；为从加载时刻到任意时刻混凝土的徐变系数。

应用中值定理将式（1）的积分方程化为代数方程。引进老化系数

（2）

可得

（3）

式中：为按龄期调整有效弹性模量，表达式为

4.1.2 计算方法

应用有限元逐步计算法分析预应力混凝土连续梁的徐变，其原理是将梁部结构简化为在节点相接的梁单元组合，划分单元时，使每个单元具有相同的收缩徐变特性，然后将结构的徐变过程按施工过程划分为、、、…、、、…。假设外载荷是瞬时施加上去的，其余时段内无外载荷变化。在每个时间间隔，对当时已形成的全部节点进行全面的分析，求出其节点节点应力增量、、、…、、…。考虑时刻，在即～时间内的变化情况。在时刻，可得出单元内任意一点的应力为

（4）

式（4）反映了在时刻以前的应力历史。在时间内，混凝土应变增量可根据叠加原理推导，其应变增量为

（5）

该增量与本时间开始时的节点应力相加就可得到本时间终了的该节点的位移和应力。按施工顺序，依次计算并累计，就可计算得到结构在各个施工阶段末的应力。

4.2 计算模型

将主梁模拟为平面梁单元，共建立58个单元，共划分了25个施工阶段。将每个阶段各进行一次徐变分析，把得到的结果累加，就可得到每阶段末的总徐变总和。

4.3 计算结果及分析

4.3.1 施工过程中结构的应力

主梁应力是评判桥梁安全性的一项重要指标。以主墩附近的中跨0号块端头截面（断面2）为最危险控制截面，埋入钢弦式应变计进行测量。各工况上下缘应力变化情况如图2～3，其中应力以受压为正。

图2断面2上缘应力理论值和实测值比较

图3断面2下缘应力理论值和实测值比较

由图2、3可以看出，预应力产生的影响大于箱梁自重产生的作用。合龙根部上缘应力为6.19MPa，下缘应力为7.57MPa。计算到成桥1500天后，上缘应力为5.4MPa，下缘应力为8.3MPa。无论在施工阶段还是成桥后期，主梁应力都有足够的安全储备。在施工过程中，箱梁应力理论计算结果和实测结果整体性吻合较好。

4.3.2 施工过程中及后期结构的线性

桥梁挠度计算是桥梁结构计算中一项最重要的组成部分，它将直接影响预拱度设置的大小，关系到桥梁的成桥线性的美观性。

图4为合龙后和成桥1500天后的箱梁挠度比较，挠度以向上为正。由于该桥为对称结构，只取其一半桥垮结构分析。梁体由于长期处于高应力状态，致使梁体的变形随时间而不断增加。

表1为成桥初期和成1500天主梁关键位置竖向变形分析。从可以很清楚的看出混凝土的徐变对桥梁的竖向变形有较大的影响，跨中截面竖向挠度由成桥初期-0.020m增加到-0.035m，增加了75.0%，

图4成桥初期和成桥1500天主梁的竖向变形

表1 成桥初期和成桥1500天竖向变形 单位 m

5.结语

（1）本文的分析揭示了南岸堤桥在各施工阶段徐变位移和应力变化的规律，可为设计和施工提供理论依据。

（2）有限元逐步计算法可以很好的模拟实际的施工过程，考虑各节段混凝土龄期的不同，能很好的分析悬臂法分段施工的混凝土桥梁的徐变。

（3）详细的施工模拟以及现场采样测试材料常数是保证计算结果的精度和实现线性控制目标的前提。

（4）徐变对混凝土桥梁的竖向位移有很大的影响，在桥梁设计时必须予以重视。

（5）在保证结果精度的基础上，应在预拱度设置及应力验算中留出足够的安全储备。

参 考 文 献

[1] 颜东煌，田仲初，李学文，涂光亚.混凝土桥梁收缩徐变计算的有限元方法于应用.中国公路学报，2004，17（2）

[2] 王军文，李建中，孙峻岭.石板坡长江大桥混凝土收缩与徐变效应分析.石家庄铁道学院学报，2006，19（3）

[3] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社，1988

[4] 彭卫.分阶段施工连续梁桥的逐步计算法.浙江大学学报[J]，1998，32（1）：88～94

[5] 李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2000.77～80

[6] 王骅，薛伟辰.考虑收缩徐变的钢-混凝土组合梁变形计算.长安大学学报，2004，24（1）