吴圣贤

混凝土收缩徐变对系杆拱桥的影响分析

吴圣贤

（合肥工业大学，土木与水利工程学院，合肥市，230009）

收缩徐变作为混凝土结构固有特性,随着时间地延伸，它会不断地变化[1]。尤其针对一些比较敏感的混凝土结构，如悬臂端、预应力混凝土连续梁等,其收缩徐变影响更为明显。本文以一工程实例为背景，利用有限元软件Midas进行桥梁模拟，通过对不同收缩徐变情况的探讨，得出混凝土收缩徐变对系杆拱桥的影响。

收缩；徐变；Midas；系杆拱桥

0　引 言

在混凝土凝结的过程中，其体积受到物理、化学的作用而发生减小的现象称为混凝土收缩[2]。在长期的荷载作用下，结构或材料承受的应力不变，混凝土的应变将随着时间的增加而增加的现象称为混凝土徐变[2]。随着公路交通事业的快速发展，越来越多的桥梁需要修建，所以混凝土的收缩徐变对桥梁结构的影响越来越明显。

钢筋混凝土或预应力混凝土系杆拱桥的加劲梁及拱肋一般体积较大，随时间而变化的收缩徐变受到内部配筋的约束将导致内力的重分布[2]。并且，系杆拱桥的吊杆是锚固在端部的横梁和拱肋上的，主拱圈、吊杆和横梁组成一个相互连接的体系，因此混凝土的收缩徐变必然引起吊杆的内力及主拱圈挠度的变化。所以，从钢筋混凝土及预应力混凝土系杆拱桥结构的安全性和线形稳定性的角度出发，必须把混凝土收缩徐变对其结构的影响加以考虑。对桥梁结构在施工、使用过程中的安全性、耐久性有着科学的现实意义。

1　收缩徐变原理

1.1收缩原理及影响参数

混凝土的收缩一般指在空气中收缩。一般来说,混凝土的收缩机理主要有硬化收缩、失水收缩、碳化收缩三种[4]。随着时间的推移，混凝土的收缩产生的变形在增加，在混凝土化学反应初期，其收缩产生的变形发展最快；一般情况下，两周内可完成全部收缩的1/4；一个月可完成全部收缩的1/2；三个月后，其变形增长的速度变得缓慢；两年以后基本趋于稳定，其收缩值最终约为(2—6)×10-4[3]。

针对混凝土收缩的原因，首先是混凝土在制作过程中，其配合比和组成是影响混凝土收缩的重要原因。水泥用量和水灰比越大，混凝土的收缩就越大；再次是在前期的水泥凝固结硬过程中，水泥石在水化反应产生的体积变化；其次是在养护过程中，自由水分在混凝土内部的蒸发而引起的结构干缩，干燥缺水也是导致收缩变大的重要因素。因此，混凝土构件的养护，应保持在温度与湿度适宜、水分充足的环境中进行。在高温湿养（蒸汽养护）环境中，混凝土水化作用得到加快，混凝土中的自由水分明显减少，所以混凝土的收缩就变小了；相反，如果在温度、湿度不适宜的环境中，温度越高，相对湿度越低，其收缩变形就越大。

1.2徐变原理及影响参数

混凝土徐变的主要原因，是由于混凝土在荷载长期作用下，混凝土中的凝胶体水分的逐渐压出导致水泥石的稳定性遭到破坏，引起了水泥石之间的粘性流动，其结构中的微细空隙因结构的蠕动而逐渐闭合，从而结晶体在结构内部逐渐滑落，结构中微小的裂缝逐渐产生[5]。

混凝土徐变的影响因素有很多，其主要的因素有以下几个方面：

1) 在长期荷载作用下，混凝土产生的压应力大小。当压应力≤0.5 fc时，徐变与应力成正比关系，称为线性徐变；当压应力介于(0.5-0.8) fc之间时，徐变与应力成非线性关系，增长较应力的增长快；当压应力＞0.8 fc时，容易造成结构的徐变破坏，徐变往往是不收敛的，是设计中所不允许的。

2) 荷载添加时，混凝土的龄期。混凝土在加载过程中，所具有的的龄期越短，则徐变结果越大。

3) 混凝土制作时的组成和配比。混凝土的徐变与材料的配比有关；中集料的体积比越小，徐变越小；水灰比越小，徐变也与越小，且在常温的情况下，徐变月水灰比近似线性关系。

4) 在养护和使用过程中环境的温度及湿度。混凝土在养护过程中，温度越高，湿度越大，水泥的水化作用就越彻底，造成的徐变就越小；反之，则徐变就越大；因此，在混凝土养护期间，应避免在高温干燥的环境下进行养护。

1.3收缩徐变计算公式

在当前，国内外常使用的混凝土收缩徐变模式和计算方法主要有：CEB—FIP模式，BP—2模式，ACI—209 模式以及F∙Tells的解析法等[6-9]。在以上的几种计算模式中，CEB一FIP模式是在1978年就被国际公认（欧洲混凝土协会(CEB)和国际预应力混凝土协会(IFP)）的，所以为我国交通部门桥梁设计规范所采用。针对CEB一FIP计算模式，其计算公式为：

混凝土徐变系数为：

徐变随应力持续时间的变化系数为：

式中Hβ 取决于相对湿度和构件尺寸，按照式(7)计算：

在未加荷载的情况下，素混凝土的平均收缩造成的应变计算公式为：

在式(8)中，10-6取决于环境的相对湿度RH：

在以上各式中：

t(ts)：混凝土的龄期和混凝土开始收缩的龄期；

fc：混凝土的设计抗压强度（Mpa）；

Ac：构件的横截面面积()；

u：构件与与大气接触的截面周界长度(mm)；

2　工程背景

某系杆拱桥为计算跨径是66 m的下承式钢筋混凝土系杆拱桥，计算矢高是13.2 m，矢跨比为1/5。全桥共设2道纵梁，17道横梁。其中纵梁为预应力混凝土实体长方形截面，高2.4 m、宽1.8 m；横梁分为端横梁与中横梁；端横梁采用高2.14 m，宽2.2 m，厚度0.45 m的预应力混凝土长方形空心截面；中横梁采用高1.5 m，宽0.6 m的预应力混凝土实体长方形截面。桥面结构采用纵横梁体系，上部铺上整体桥面板。对该桥利用有限元程序Midas进行结构建模及分析。分别建立不同的收缩徐变工况，得出不同工况下的分析结果。

桥梁采用Midas进行建模，根据公路桥涵设计规范 ，全桥共建立节点283个，单元330个。其中，横梁、纵梁、主拱圈采用的是梁单元；吊杆采用的是只受拉杆单元。所建的有限元模型如图1所示。

图1　桥梁有限元模型

3 混凝土收缩徐变对系杆拱桥的影响

系杆拱桥在建模分析过程中，分别建立了两种工况进行研究。第一种是桥梁结构在建模过程中，添加不同的加载龄期给桥梁结构造成的影响；第二种是桥梁结构在建模过程中，设置不同的相对湿度给桥梁结构造成的影响。

3.1加载龄期不同的影响分析

加载龄期不同是指在系杆拱桥在模型建立完成后，再分别建立3天、7天、一个月、半年、一年不同的加载龄期。根据Midas有限元计算分析，得出系杆拱桥在各个加载龄期下主拱圈线型变化及吊杆张拉力的变化。

1) 主拱圈线型变化

成桥完成后，以不考虑混凝土收缩徐变与考虑混凝土收缩徐变后加载龄期为3天、7天、一个月、半年、一年下的影响进行对比，得出主拱圈线型的变化，见图2所示。

2) 吊杆张拉力变化

成桥完成后，以不考虑混凝土收缩徐变与考虑混凝土收缩徐变后加载龄期为3天、7天、一个月、半年、一年下的影响进行对比，得出吊杆张拉力的变化，见图3所示。

3.2相对湿度不同的影响分析

相对湿度不同是指在系杆拱桥在模型建立过程中，分别定义混凝土年平均相对湿度为40%、60%、80%。根据Midas有限元计算分析，得出系杆拱桥在各个相对湿度下主拱圈线型变化及吊杆张拉力的变化。

1) 主拱圈线型变化

建模过程中，以不考虑混凝土收缩徐变与考虑混凝土收缩徐变后相对湿度为40%、60%、80%下的影响进行对比，得出主拱圈线型的变化，见图4所示。

2) 吊杆张拉力变化

建模过程中，以不考虑混凝土收缩徐变与考虑混凝土收缩徐变后相对湿度为40%、60%、80%下的影响进行对比，得出吊杆张拉力的变化，见图5所示。

图2　不同加载龄期下主拱圈挠度增量（正值表示向上）

图3　不同加载龄期下吊杆张拉力的增量

图4　主拱圈线型变化

图5　不同湿度下吊杆张拉力的增量

4　结论

通过以上对比分析，可以得出以下结论：

1）在混凝土收缩徐变的情况下，随着加载龄期地增长，靠近支座处的吊杆张拉力增量变化最大，其中加载龄期为一年时，支座处吊杆张拉力增量值为3.6 kN；随着加载龄期地增长，跨中处的主拱圈挠度增量变化最多，其中加载龄期为一年时，主拱圈挠度增量为1.1 cm。因此，在施工过程中，应考虑到荷载加载时间，不能过早的把荷载加载到新浇筑的结构上。

2）在混凝土收缩徐变的情况下，随着相对湿度地减小，吊杆张拉力在增大，其中靠近支座处的吊杆张拉力增量变化最大，当相对湿度为40%时，吊杆张拉力增量为4.4 kN；随着相对湿度地减小，跨中主拱圈的挠度在变大，其中相对湿度为40%时，主拱圈挠度增量为1.5 cm。因此，在施工过程中，应增加结构物环境周围的相对湿度，减少混凝土的收缩徐变量。

[1]王宏亮.收缩徐变对预应力混凝土连续梁桥的影响[J].甘肃科技,2011,27(4):121-156.

[2]姜艳军.混凝土收缩徐变对系杆拱桥的影响研究[J].甘肃科学学报,2011,23(3):69-71.

[3]叶见曙,李国平.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]彭振斌,陈迎明,刘安邦.混凝土收缩机理及其诊治原理[J].混凝土,2003,161(3):30-31.

[5]管延武,赵冠刚,龚爱军.混凝土收缩徐变机理综述[J].山西建筑,2009,35(10):166-167.

[6]石现峰,梁志广,李建中.几种常用混凝土收缩徐变模式的比较分析[J].石家庄铁道学院学报,1998,11(1):8-9.

[7]熊红霞,刘沐宇.钢管混凝土拱桥收缩徐变的有限元分析[J].武汉理工大学学报,2005,27(4):51-54.

[8]凌海明.收缩徐变对钢管混凝土拱桥力学性能影响分析[J].山西建筑,2010,36(27):339-340.

[9]韩冰,杜金生,王元丰.徐变对钢管混凝土拱桥的影响分析[J].公路交通科技,2005,22(6):76-77.

[10]JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[11]刘忠,顾安邦,范立础.钢筋混凝土劲性骨架拱桥徐变收缩分析[J].重庆交通学院学报,1994,13(1):1-9.

Analysis of the Effect of Shrinkage and Creep of Concrete on Arch- bridge

WU Shengxian
(Civil engineering school,Hefei University of Technology,Hefei,230009,China)

Shrinkage and creep are the inherent properties of concrete, and it will change continuously,especially for some of the more sensitive concrete structure, such as cantilever end,prestressed concrete continuous beam and so on , its effect is more obvious. This thesis takes an engineering example as the background, building bridge model with the finite element software Midas, and exploring different conditions of shrinkage and creep , getting the influenceof concrete shrinkage and creep on the tied arch bridge.

Shrinkage;Creep;Midas;Tied Arch Bridge.

TU37

A

2095-8382(2016)03-023-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160305

2015-11-27

吴圣贤（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为道路与桥梁工程。