混凝土徐变对钢－－混凝土组合结构桥梁长期性能的影响.pdf

2 0 0 3年 6月 第 3 2卷第 3期 有 色 矿 山 Non f e r r ou s M i n e s J u n． ， 2 0 0 3 Vo1 ． 3 2 NO． 3 混凝土徐变对钢一 混凝土组合结构桥梁 长期性 能的影响 徐 劲 松 北方交通 大学 ， 北京 1 0 0 0 4 4 [ 关键词]徐变；混凝土；组合结构桥梁； 预应力 [ 摘要 ] 组 合结 构桥 梁 中混 凝土材料 的徐变 效应将 引起钢 梁和混凝 土桥面板 间 内力重分布 和结 构附加变 形， 进而 影响到构 件的安全性 、 行车舒适 度和混 凝土板 中预 应 力损 失 ， 大大 降低 预应 力 的效 果。 目前通 常 采 用基 于线 弹性 理论 的简化方 法分析 组合 结 构桥 梁 中混 凝 土徐 变 效 应， 而 本文 利 用 MS c／ P AT R AN建 立 组 合 梁桥 有 限元 模 型， 并 用 MS c ／ N As TR A N 中提 供 的徐变模式 对徐变 效应进 行非线性 分析 ， 得 出了有益 的结论 。 [ 中图分 类号 ]T U3 7 5 [ 文献 标识 码 ] A [ 文章 编号 ]1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 3 0 3 0 0 3 8 0 4 I nf l u e nc e o f c o nc r e t e c r e e p o n t he l o n g - t e r m pe r f o r m a nc e o f s t e e l - c o nc r e t e c o m po s i t e br i d g e XU J i n s o n g No r t h e r n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，B e Q i n g 1 0 0 0 4 4 ，C h i n a Ke y wo r d sc r e e p；c on c r e t e；c omp o s i t e b r i d ge；pr e s t r e s s Ab s t r a c t I n c o mp o s i t e br i dg e s ， c r e e p e f f e c t of t h e c on c r e t e ma t e r i a l wi l l c a u s e t he f or c e r e d i s t r i bu t i o n b e t we e n s t e e l b e a m a n d c o nc r e t e de c k a s we l l a s t h e s t r uc t u r a l a dd i t i on a l d e f o r m a t i on． Th e s e wi l l a f f e c t t h e s t r uc t u r a l s a f e t y，t r a v e l i n g c o m f o r t a n d t he l o s s o f t h e p r e s t r e s s ．Th e c ommo n me t ho d s u s e d t o c a l c ul a t e t h e e f f e c t o f t h e c r e e p a r e ba s e d on t he l i n e a r e l a s t i c t h e or y．But h e r e ma t e r i a l n o nl i n e a r me t h o d i s a d op t e d t O a c c ompl i s h t h i s b y t h e a i d o f a s t r u c t u r e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e M S C／ NAS TRAN． 1 引言 组合结构桥梁通过机械剪力键把钢梁和混凝土 桥面板连接成一个整体结 构， 这种 方式存 在很 多优 点。但是混凝土材料的徐变会引起组合桥梁中钢梁 和混凝土板内力重分布 以及 桥梁结构 的附加变形 ， 其变化规律与 P C桥或 R C桥 的情 况不尽 相同。此 外， 如果在混凝土桥面板 中施加了预应力， 徐变还会 引起预应力损 失。因此， 需 根据混凝土 的徐变效 应 对结构的 内力和变形进行纠正 _ 1 J 。 [ 收稿 日期 ]2 0 0 3 0 4 1 9 [ 作者 简介 ]徐劲 松 1 9 7 0一 ， 女 ， 云南个 旧 人， 工程 师 ． 硕士 ， 从事 教学与管理 工 作。 2 混凝土徐变特性 当荷载持续 施加到混凝土上 时， 混凝土 的应变 随时间而逐渐增加 ， 且在卸 载后增加 的应变大部分 作为塑性应变而残 留下来， 混凝土这种特性称徐变， 徐变 引起的应变称为徐变应变。如果承受荷载的混 凝土构件应变保持不 变， 则 由于徐变 作用混凝土 的 应力会随时间的增加 而逐渐减 小， 这 称为混凝土 的 应力松驰。混凝土 的徐变机理 非常复杂， 而且具 有 很大的不定性 ， 所 以虽然有不 少学者提 出过粘弹性 理论、 渗出理论和粘性 流动理论 等各种理论 和假设 来说 明徐变 的机理， 但迄今为止， 在以上这些理论 中 还没有一种被普遍 接受 ， 正如 A． M． Ne v i l l e教授在 文献【 2 ] 中指出的那样 “ 已有 的理 论对徐变 机理不能 得出明确肯定的结论 ” 。 混凝土 的徐变机理虽然 尚未 完全弄清， 但很多 i 趸 ’ 国 蓖 维普资讯 第 3期 徐劲松 混凝土徐变对钢一混凝土组合结构桥梁长期性能的影响 3 9 研究者根据 徐 变性状 利用 流变 模型 来分 析 和研 究 它。采 用流 变 基 本模 型 Ma x we l l 模 型 ， Ke l v i n模 型， B i n g h a m模型 以及元 件 H o o k e体， Ne wt o n体， S t ． Ve n e n t 体 的组合 可以得到各种徐 变流变模 型， 如 B u r g e r s 模型 ， R o s s 模 型， Ha n s e n模型 ， Ne v i l l e模 型， B j u g g r e n等。这些模 型都 能在本 质上体 现能量 守恒和能量转化的基本原理 ， 并能解释诸 如可复徐 变与不可复徐变等徐变的基本成份 。但 由于混凝土 徐变复杂离散， 很难得 到一种严 密且合乎 实际的通 用模 型 。 3 组合结构桥梁的徐变分析理论 徐变分析方法分为线性 徐变法则和非线性徐变 法则， 线性法则是指 叠加原理 可以适 用。然 而在实 际量测 的结果与线性理论 计算值 之 间存在着误差 ， 这些差异大多数来源于非线性效应。不过 非线性法 则对于实际应用 来说 非常复 杂繁琐， 一般 的计 算手 段是不能实现的。所 以现有的组合结构桥 梁徐变分 析仍然都是 建立 在线 弹性理论 基 础之 上 的简化 计 算 。 4 利用 N AS TR A N计算徐变效应 徐变体现 了材料的非线性特性 ， 它使得材 料的 本构关系随时间而变 化， 因而结构 的内力和变形 也 随时间不断变化， 采用线弹性 理论进行 徐变分析 必 然引起一 定程度 的误 差。而有 限 元结构 计算 软 件 N AS T R A N 提供 了一些材料徐变模式， 因此可 以利 用它进行徐变 的非线性分析。 4 ． 1 NA S T R AN中徐变 的计算方法[ 0 ] 徐变可以按 照以下两种方 法进行计 算 K e i v i n Ma x we l l 模式和 O RNL经验公式 ， 它们都是 基于 流 变模型建立的。 1 Ke l v i n Ma x we l l 模 式。如 图 1 ， 材料 总应变 t ot为弹性应变 ￡ 和徐变应变 ￡ ． 之和 e t 。 t e P ￡ 。 t 1 徐变应变 e 。 分为主要 徐变应变 e 1 和 二次徐 变应 变 e 分 别 采用 Ke l v i n m 模 型 和 Ma x we l l 模 型 c l c 2 [ 1一e 一 k p ／ c p t c ] ￡ 2 , t o t l 卜 J 2 式中 应力 ； k p , 、 C s 应力参数 ； ￡ 时 间 。 图 1 NA S T R A N中的徐变模型 计算时只需给 出参数 k ”c ”c 的数值。 2 O RNL经 验公 式 。它采 用 美国 Oa k R i d g e 国家试验室 O a k Ri d g e Na t i o n a l L a b o r a t o r y 推荐 的 徐变法则及相应公式 3 ， 它是 一种经验公式 ， 适 用 于各 向同性材料 e ， t A [ 1 一e ”] K t 3 O a k R i d g e国家试验 室还推荐 了 A 、 R 和 K 各种取值 及其组 合方式 ， 见 表 1 ， 其 中行 1 和行 2可以任意组合 ， a、 b 、 c 、 d、 f 、 g均 为常数， 由 试验资料或经验数据得到。 表 1 OR NL相关参数 4 ． 2 N A S T RA N的计算模型 选用 图 2所示连续组合 梁为模型， 模 型考虑 了 中间支点 附近左右两侧各 0 ． 8 m 共计 1 ． 6 m 范 围内 混凝土板的开裂 ， 在此 范围 内不考虑 混凝土板 的抗 拉强度， 仅计入混凝土板 中钢筋的抗拉承载力。 组合梁材料特性 混凝土抗 压强 度 2 81 0 P a ； 钢材抗 拉 强 度 2 8 01 0 P a ； 混 凝 土极 限徐 变 系 数 声 。 。 2 ． 5 ； 混凝土弹性模 量 E， 2 ． 51 0 加P a ； 钢 材 图 2 计算模 型的立 面图和 剖面 图 注 钢 梁上 、 下翼缘 厚度 1 1 ． 5 ram， 腹板 厚度 5 ． 2 mm， 混凝土板 在形心处 配置一 排钢 筋， 面积 1 ． 1 3 c m 。 I 到 | l im b 面 维普资讯 4 0 有色 矿 山 2 0 0 3年 第 3 2卷 弹性模 量 E 2 ． 0 41 0 P a 钢 筋混凝土材料密度取为 2 ． 5 1 0 。 N／ m。 ， 钢材 材料密度 7 ． 8 51 0 0 N／ m0 。 荷载 4 ． 7 5 k N／ m， 不计结构 自重 。 进 行 徐 变 计 算 时 采 用 N AS T R AN 提 供 的 OR NL经验公式， 如式 3 及表 1所示。 A 、 R 和 K 形式如下 A ＆ ，R ∞ ，K g 4 令 b1 ， d0 ， f0 ， g0 ， 则式简化为 ￡ d ， ￡ o ． ff [ 1 一e ] 5 当式 5 中时间单位 为天， 应力单位为 P a时， 根 据荷载作用下混凝土板形心处的初始线弹性应力及 混凝土的极 限徐变系数， 可令 n1 ． 31 0 1 0 ， C 0 ． 0 1 进行计算 。这意味着当 t 3 4 0天时徐变 应变 已完成约 9 7 ％， 所以计算终止于 t 3 4 0天， 并认 为 此时的徐变 已经近似全部完成 。 4 ． 3计算结果 NA S T R AN计算 结果 列 于表 2 ， 并 与 日本组 合 结构桥梁规 范 ] 给定 的简化 算法计 算 结果进 行 了 比较 。 表 2 计算结果 的比较 项 目 两 果 混凝土板形心 处纵 向压 力 的 减 小／ M Pa 钢梁下翼缘 下边缘 处纵 向拉力 的增 t l ／ MP a 混凝土板形心 处徐 变 应变 表 2 中的数值 为两种计算 方法的差值 与该 位置结 构初 始应力 之 比。 从表 2可以看 出， 虽然两种方 法计算 的混凝土 徐变应变差别不大， 但 在应力 的计 算结果上存 在一 定差异 。本 文认 为这 是 由于 NAS T R AN 中考虑 了 材料徐变 的非线性和结构几何非线性 。不过如果将 两种方法应力计算结果的差值与结构相应位置处的 初始应力相 比较 ， 可以认为差别也不大， 混凝土板形 心处 0 ． 0 5 8 ／ 0 ． 8 5 00 ． 0 6 8 ； 钢梁 下翼缘下边 缘处 0 ． 8 7 3 ／ 3 8 ． 3 5 3 0 ． 0 2 3 。 4 ． 4 徐变对组合梁 中预应力损失的影响 在连续组合梁桥 中间支点附近， 负弯矩使得混 凝土板承受拉力， 引起混凝 土板开裂。避免上述 问 题的方法之一是在负弯矩区混凝土板中施加预压应 力。然而在各种因素作用下预应力会随时间的增长 ． 而不断减小， 混凝土 徐变 是 引起预 应力损失 的主要 因素之一 。采用实测方法很难得到徐变引起的预应 力损失数值， 因为实测值 还包括钢 筋松驰等其他 因 素引起的部分。所以采用有限元方法计算徐变引起 的预应力损失是有其优越性 的。连续组合结构桥梁 施加预应力的方 法很多， 这 里仅 以最 常用的支点 移 动法和预应力钢 筋法 为例 ， 按 照 4 ． 2节同样的方法 利用 N AS T R A N 进行徐变引起的预应力损失计算。 仍以图 2所示组合梁建立有 限元模 型， 由于施 加了预应力， 模型 中间支点 附近混凝土板不开裂， 是 混凝土板截面的强度起作 用。材料特性不变 ， 仍 然 取各 系数 ＆1 ． 3 1 0 1 0 b1 ， C 0 ． 0 1 ， d0 ， f 0， g 0。 4． 4． 1支 点 移动 法 如图 3 ， 假设施工顺 序如下 先将 中间支 点向上 移动 0 ． 1 5 m， 而后浇筑混凝土桥面板， 待混凝土达到 预期强度， 沿全梁长组合作用形成后， 再将 中间支点 下降 0 ． 1 5 m， 恢复原位。计算时仅考虑结构 自重， 不 计其他荷载作 用。计算结果如 图 4 。 0 ． 0 0 E 0 0 - 2 ． 0 0 E 0 6 ∞ 一 4 ． 0 0 E 0 6 一 6 ． 0 0 E 0 6 一 8 ． O 0 E O 6 - 1 ． 0 0 E 0 7 1． 2 0E 0 7 图 3 支点移 动法示 意图 沿 轿 钠 位 ， y 图 4 混凝土板形心处应力 计算结果表明， 采用支点移动法时 ①沿梁全长 范 围内都能给混凝土板施加预压应力。②在预应力 刚刚施加时， 中间支 点处混凝土板 形心处最大 预压 应力 为 一1 0 ． 8 5 8 MP a ， 经 过 3 4 0天 后， 徐 变基 本 结 束， 此 时 预 应 力 施 加 范 围 内 的 最 大 压 应 力 为 一 5 ． 5 5 2 MP a ， 预应 力 损 失 达 4 8 ． 9 ％。 4． 4． 2 预 应 力钢 筋法 桥 面板 混凝土硬化强度满 足要 求后， 在中间支 点附近左右两侧各 0 ． 8 m 共计 1 ． 6 m 范围内采用预 维普资讯 第 3期 徐劲松 混凝土徐变对钢一混凝土组合结构桥梁长期性能 的影响 4 1 应力钢筋对混凝土板施加预应力。预应力钢筋的设 计总张拉力为 7 0 k N， 假定均 匀作用于混凝土板横断 面 虽然混凝土板 横断面 面积 为 0 ． 0 7 m ， 但 由于连 续梁为超静定结构 ， 施加在 混凝土板横 断面上的预 压应力 并不 是 1 0 MP a ， 而 是 需要 通 过 计 算 才能 确 定 ， 参见图 5 。同时模型中假定预应力施加时全梁 范围内均 已形成完全组合截面。计算 时仅考虑结构 自重， 不计其他荷载作用， 计算结果 如图 6 。 图 5 预应 力钢筋 法示意图 5． 0 0 E 0 6 0 ．0 0E 0 0 一 5 ． 0 0 E 0 6 一 l _ 0 0 E 07 上I L _l l 墨 沿桥轴位 置／ Ⅲ 图 6 混凝土板形心处应力 计算结果表 明， 采用预应力钢筋法 时 ①连续组 合梁 中预应力的施加可能使非预应力区域 的混凝土 板承受过大拉应 力， 这 是决定钢 筋预张力的一个 重 要因素。如果采用预制混凝 土板， 首 先对预制板 施 加预应力， 然后再 用剪力键将 预制 板和钢梁结 合形 成组合截面， 就 可以避免上述 问题。②在预应 力刚 刚开始施加时， 预应 力施加范 围内的混凝土板形 心 处最大压应力为 一8 ． 2 1 2 MP a ， 徐变基本结束时预应 力施加范围内的最大压应力为 一6 ． 3 2 2 MP a ， 预应 力 损失为 2 3 ％， 比支点升降法小。但这种方法还包括 锚具松驰 、 预应力钢筋松 驰和摩擦等 因素造成的预 应力损失需考虑 。③与预应力 区相邻的混凝土板形 心处最大 拉应 力 在此 期 间 内从 0 ． 7 5 2 MP a增大 到 1 ． 6 1 2 MP a ， 增 加 了 1 1 4 ． 4 ％。 所 以 需 要 在 此 处 混 凝 土板 内配置加强钢筋来抵抗拉应力的增加。 5 结论 目前任何关于混凝土徐变分析理论都不能说是 既精确又简单 ， 这 主要是 由混 凝土徐变过程 的复杂 性和不定性造成 的， 所 以各 国组合梁规 范中对徐变 的分析都采用建立于线弹性理论 基础之上的简化算 法 。采用非线性理论 分析混凝土徐变无疑是更准确 的， 然而非线性理论的应用更加繁琐复杂 ， 不过 当今 计算机软硬件的发展为此提供了有利条件。本文利 用大型有限元结构分析软件 MS C ／ NAS TR A N 对组 合结构桥梁 中混凝土徐变 效应进行 了非线性分析 ， 计算了结构的内力变化和预应力损失 。有限元计算 结果表明， 长期使 用后徐变 引起 的连 续组合梁 中间 支点处预应力损失是比较大的。 然而 ， 使用 NA S T R AN进行徐变计算 时确定徐 变公式 的各个参 数并不简单 ， 需要根 据相关 的研 究 成果或试验资料才能较合理地选择。 [ 参考文献 ] [ 1 ] T o n i a s D E．B r i a g e e n g i n e e r i n g[ M ] ．Ne w Yo r k Me Gr a w Hi l l ，1 9 95． [ 2 ] A．M．Ne v i l l e ，W．H．D i l g e r ，J ．J ．B r o o k s ．C r e e p o f P l a i n a n d S t r u c t u r a l C o n c r e t e [ J ] ．C o n s t r u c t i o n P r e s s ， I o n d o n a n d Ne w Yo r k ． 1 9 8 3． [ 3 ] MS c ／ NA S T RA N R e f e r e n c e Ma n u a l ，1 9 9 8 ． [ 4 ] 日本规 范， 铁 路 结构 等设 计 标 准 - 同解 说 ．钢 组 合结 构 1 9 9 2年 [ S ] ， 第 2编 钢一 混凝土组 合铁路桥 ． 上接 第 2 4页 5 结 论 冬瓜 山混 合矿矿石性 质及其复杂， 且随着开采 顺序及开采深度的不 同， 进入选 矿厂的矿石 其性 质 不论在硬度上还是矿物组成上变 化异常。连选试验 及后来的结构优化试验均是在难选矿石相对含量为 2 5 ％的基础上进行的。根据采矿预测选矿厂在某段 时间范围内有 可能处理 难选矿 物含量 4 0％左右 的 混合矿石， 也可能在某段 时 间范 围内处理难选矿 物 含量为 1 0％左右 的混合矿 石。而难选 矿物 含量 的 变化直接 影响着选 矿厂的处理 能力和金属 回收率 。 这就要求选矿厂在设备配置上不仅在能力上以适应 此变化， 且要求选矿 厂在局部流程及 药剂数量 和药 剂种类等诸方面做不 断的调 整， 尤其 是滑石浮选 时 间和药剂种类上。 总之 ， 为使冬瓜山选矿厂取得 预期的经济效益 ， 必须强化试验， 通过摸索和探讨 吸取 各方面的经验 ， 不断改善浮选 结构和药剂制度 等选矿条 件， 以达到 设计 的预期 目的。 ； I 一 两 维普资讯