马海龙

（河北首都新机场高速公路开发有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

钢-混组合结构的收缩徐变是指在结构成型后，随着时间的增加，在一期自重、二期铺装等荷载效应下，混凝土材料发生了体积形变，应力逐渐向钢梁集中，导致结构出现应力重分布的现象。长期荷载作用下，构件的收缩徐变效应不仅会使构件形状发生变化，还会增大混凝土桥面板的内外温差，降低桥面板应力，对结构的运营影响不可忽略。目前，混凝土收缩徐变在实际工程应用中通常采用应变、位移等参数来表征。

关于收缩徐变的相关研究，学者们关注较多的内容主要集中在以下几个方面：（1）特殊材料对混凝土收缩徐变的影响[1-3]。（2）桥梁施工流程对结构收缩徐变的影响[4-6]。（3）环境、构件尺寸等因素对混凝土桥面板收缩徐变效应的影响[7-9]。（4）各类型桥梁的收缩徐变计算公式研究[10-13]。研究主要针对普通钢筋混凝土桥梁或刚构桥，对于钢-混组合梁桥尤其是连续钢-混组合梁桥研究较少，特别是很少涉及组合梁桥计算的规范匹配度问题。因此，本文以某连续钢-混工字组合梁桥为背景，对其最佳使用规范和收缩徐变效应展开研究。

1 工程概况

该桥为标准跨径30m的3跨连续钢-混工字组合梁桥，桥宽为净-15.6+2×0.5m防撞护栏，设计荷载为公路-Ⅰ级。上部结构由5片工字钢主梁联结组成，钢主梁之间通过横梁加强横向联系，横梁标准间距为5.0m，钢梁和桥面板间采用剪力栓钉进行连接。桥梁纵断面布置见图1。

图1 桥梁纵断面布置（单位：mm）

2 收缩徐变试验

2.1 试验梁制作

制作2根室内缩尺试验梁，分别将其编号为CLB-1和CLB-2。试验梁桥面板全长6.08m，板宽1.4m，厚0.13m，全梁采用C50纤维混凝土。工字钢梁高0.64m，宽0.15m，钢梁翼缘厚度为0.016m，采用Q345qE钢材。桥面板与工字钢梁间采用间距为200mm的M16剪力栓钉进行连接，连接栓钉与钢梁采用焊接处理。试验梁纵向布置图见图2。

图2 试验梁纵向布置图（单位：mm）

2.2 试验测点布置

参照《混凝土结构设计规范》（GB50010—2015）[14]结合试验现场条件，选取试验梁跨中截面、1/4跨截面以及试验梁支座截面作为控制截面进行试验测量，测量内容主要包括桥面板混凝土的应力、应变以及构件挠度等。测点分布如下：

（1）应变测点：分别采用10AA和60AA的应变片进行混凝土的应变测量，试验过程中，采用相同规格应变片制作温度补偿片，减少温度改变造成的试验误差。

（2）挠度测点：试验采用千分表和挠度计进行挠度测量，测量过程中间隔几分钟做二次测量，取均值用以降低试验误差。

试验梁测点布置图见图3。

图3 试验梁测点布置图（单位：mm）

2.3 试验梁加载

采用1/2正常使用状态荷载值进行试验加载，测试龄期分别为7d、30d、185d、365d，观察试验加载过程中构件各控制截面的挠度、应变数值变化，分析混凝土收缩徐变对构件受力性能的影响[15]。试验加载照片见图4。

图4 试验加载照片

2.4 试验结果分析

测得CLB-1和CLB-2试验梁各控制截面的挠度值及混凝土应变值，其中试验梁各控制截面挠度值见表1，试验梁各控制截面混凝土应力值见表2。

表1 试验梁各控制截面挠度值

表2 试验梁各控制截面混凝土应力值

由表1和表2可知，实验过程中，随着加载龄期的增大，各截面挠度值和混凝土应力值也越来越大，0～7d时变化最为剧烈，7～365d时增长速度有减缓趋势，减小幅度约为30%左右。其中，跨中截面处的挠度值和混凝土应力值变化最大，365d最大挠度值为3.21mm，约为龄期7d时挠度值的2.3倍；最大应力值为1.57MPa，约为初始加载应力值（7d）的2.5倍，变化幅度较大。

由此可见，构件在加载龄期为365d时，混凝土收缩徐变仍处于急剧变化的状态，具体趋势尚不明显，限于试验条件，将采用有限元模拟的方式对其做进一步分析。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

结合试验梁尺寸布置及构造特点，运用MidasFEA建立有限元模型。其中混凝土桥面板和钢梁模拟均采用实体单元，内部钢筋采用杆系单元，连接部位的栓钉采用桁架单元，划分单元的尺寸间距为20mm。试验梁有限元模型见图5。

图5 试验梁有限元模型

3.2 分析截面选取

模型分析中主要针对的数据取自以下几个截面位置，分析选取截面示意图见图6。从梁的最左侧开始，分别量取的间距依次为0m、0.76m、1.52m、2.28m、3.04m、3.8m、4.56m、5.32m及6.08m作为主要截面获取计算数据。

图6 分析选取截面示意图

3.3 有限元模型计算结果

3.3.1 各国规范比较分析

由于地理位置、环境因素等的不同影响，各国对混凝土收缩徐变的计算模式差异较大，目前尚未有较为统一的计算模型。MidasFEA中的收缩徐变相关规范包括中国规范、欧洲规范、韩国规范、美国规范和日本规范等，针对这些规范，对有限元模型进行加载荷载，荷载条件和边界条件施加皆与试验梁相同，考虑收缩徐变龄期为1年，计算得出不同国家规范下试验梁各控制截面的挠度，运用曲线拟合的方法将不同国家规范计算出的挠度值与试验测量值进行对比，挠度曲线对比结果见图7。

由图7可知，针对连续钢-混工字组合结构，各国规范计算出的挠度值变化趋势大致相同，在支撑截面处挠度最小，跨中截面挠度最大。截面挠度值整体分布规律为：中国规范＞美国规范＞欧洲规范＞日本规范＞韩国规范，其中，中国规范的跨中最大挠度值为3.3mm，韩国规范的最大挠度值为0.49mm，占比为中国规范的15%，而中国规范的计算结果与试验结果最为相近，比试验结果略大，因此，采用中国规范进行收缩徐变的结构计算，用于结构设计是最为安全可靠的。

图7 挠度曲线对比结果

3.3.2 收缩徐变效应分析

依据中国《公路桥涵设计规范》（JTGD60—2015）提供的计算方法，对组合梁的收缩徐变效应做进一步研究。设置混凝土徐变龄期分别为7d、30d、365d、10950d（30年）以及21900d（60年）。限于篇幅，以跨中截面和1/4跨截面为例，在不同收缩徐变龄期下，计算得出构件控制截面挠度值见表3，构件控制截面桥面板混凝土应力值见表4。

表3 构件控制截面挠度值

表4 构件控制截面桥面板混凝土应力值

由表3和表4可知，随着加载龄期的增长，构件各截面的收缩徐变挠度值越来越大，在加载龄期达到10年时，截面挠度达到最大，此后构件挠度基本处于稳定状态，最大挠度值位于跨中截面（5.13mm），是加载龄期为30d时挠度值的2.4倍。而桥面板混凝土应力值变化趋势与其大不相同，随着时间的增加，应力值一直持续增长，增长趋势虽略有放缓，但并未达到平稳变化的迹象，龄期为21900d（60年）时应力值最大（2.71MPa），且位于模型跨中截面，相比混凝土抗拉设计强度（3.5MPa），该构件仍处于安全可靠的状态。

4 结语

本文以某连续钢-混工字组合梁桥为背景，设计了两根室内缩尺试验梁，分别进行了室内加载试验，并在此基础上结合有限元分析研究了构件的收缩徐变效应。得出结论如下：

（1）加载龄期为0～7d时，构件跨中截面的混凝土收缩徐变效应的变化最大，后期随着时间的增长，其变化的幅值逐渐减小。

（2）对比各国规范的收缩徐变计算模型，其计算结果由大到小顺序为：中国规范、美国规范、欧洲规范、日本规范、韩国规范。韩国规范计算值约为中国规范的15%。因此，采用中国规范进行结构的设计计算是最安全的。

（3）构件挠度值随收缩徐变龄期的增长越来越大，当龄期达到10年时，挠度值逐渐趋于稳定。构件应力值则处于长期增长的状态，但增长幅度逐渐减小，不影响结构的正常受力。