灌河大橋鋼-混結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計

灌河大橋鋼-混結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計

1混凝土抗裂性能與一座橋梁相結(jié)合，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：建筑高度小，重復(fù)使用輕，施工方便，施工速度快，成本低。近年來,國內(nèi)修筑了大量的結(jié)合梁斜拉橋。然而,其中一些結(jié)合梁斜拉橋在運營過程中出現(xiàn)了橋面板開裂的病害。對此,許多學(xué)者對混凝土抗裂性能開展了大量研究[2~6]。通過研究發(fā)現(xiàn),混凝土的收縮、徐變會導(dǎo)致組合截面上鋼梁與混凝土板之間發(fā)生應(yīng)力重分布,此為橋面板開裂的重要因素。以往研究內(nèi)容主要針對混凝土收縮性能和抗裂性能,對混凝土變形性能、測試方法和控制指標等方面關(guān)注較少,而高性能混凝土的抗裂性能與傳統(tǒng)混凝土相比具有較大差異,需要進行針對性研究。本文以灌河大橋為背景,根據(jù)該橋設(shè)計和施工特點,將橋面板混凝土收縮應(yīng)力劃分為前期收縮應(yīng)力(預(yù)制階段)和后期收縮應(yīng)力(橋面板安裝后)分別進行計算,并對結(jié)合梁橋面板混凝土的收縮應(yīng)力進行評定。2橋梁結(jié)構(gòu)組成灌河大橋主橋采用雙塔雙索面半飄浮體系結(jié)合梁斜拉橋,跨徑布置為(32.9+115.4+340+115.4+32.9)m。主梁采用工字鋼梁,通過橫梁、小縱梁、節(jié)點板和高強螺栓連接形成鋼構(gòu)架。鋼構(gòu)架上架設(shè)預(yù)制橋面板,通過現(xiàn)澆膨脹混凝土濕接縫與鋼梁上的抗剪栓釘形成整體,組成結(jié)合梁體系。主梁全寬36.6m,梁高3.08~3.41m,工字鋼縱梁中心間距34m,主梁標準橫斷面如圖1所示。該橋橋面板厚28cm,全寬35m,采用C50聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土,除橋塔附近和兩端橫梁位置采用現(xiàn)澆外,其余位置均采用預(yù)制拼裝橋面板。預(yù)制橋面板橫橋向劃分為4塊,縱向劃分長度為3.4m,各塊段通過縱、橫向現(xiàn)澆濕接縫形成整體。3硬面板的初始收縮能力為3.1混凝土收縮測定灌河大橋橋面板混凝土收縮測定試驗采用150mm×280mm×500mm的棱柱體試件作為混凝土收縮率測定的試件。試模為臥式試模,外形尺寸為650mm(長)×250mm(寬)×314mm(高),重量約為70kg。混凝土收縮測定的試件在3d凝期內(nèi)應(yīng)帶模(密閉)養(yǎng)護,其后拆除密閉頂板進行恒溫恒濕養(yǎng)護。恒溫恒濕養(yǎng)護室溫度(20±1)℃,相對濕度(60±5)%。試件中聚丙烯纖維摻入量為1kg/m3?；炷潦湛s率測定裝置如圖2所示。3.2規(guī)范計算結(jié)果比較根據(jù)橋面板混凝土收縮的實測變化曲線計算混凝土前期收縮應(yīng)力,同時對比JTGD62-2004規(guī)范公式的計算結(jié)果?；炷潦湛s應(yīng)變時程曲線的試驗結(jié)果和規(guī)范計算結(jié)果比較如圖3所示。由圖3可知,實測混凝土的早期收縮應(yīng)變大于規(guī)范公式的計算結(jié)果,尤其在開始的3d內(nèi),實測混凝土收縮應(yīng)變遠大于規(guī)范公式的計算結(jié)果。3.3混凝土結(jié)構(gòu)模型采用通用有限元軟件ANSYS建立預(yù)制橋面板前期收縮應(yīng)力計算模型(圖4)。預(yù)制橋面板尺寸為橫橋向7m,順橋向3.4m,板厚0.28m。按照設(shè)計配筋,在橋面板頂、底布置收縮約束鋼筋,鋼筋直徑為25mm(縱向)、16mm(橫向),鋼筋網(wǎng)格尺寸為0.15m×0.15m,鋼筋與橋面板構(gòu)建無滑移連接。外部約束條件滿足橋面板各向自由收縮。混凝土采用Solid45實體單元模擬;鋼筋采用Beam44梁單元模擬?；炷潦湛s時程采用JTGD62-2004規(guī)范的數(shù)值定義和試驗實測數(shù)據(jù)分別計算;混凝土彈模時程曲線采用CEB-FIP模型計算的彈模結(jié)果。計算中根據(jù)混凝土收縮應(yīng)變時程曲線和彈性模量時程曲線離散計算階段,得到任一時期混凝土的早期收縮應(yīng)力。在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過對預(yù)制橋面板進行數(shù)值模擬,可得到橋面板早期收縮應(yīng)力的數(shù)值。3.4混凝土收縮應(yīng)力根據(jù)灌河大橋?qū)嶋H情況,橋面板前期收縮應(yīng)力的數(shù)值計算周期取預(yù)制橋面板澆注完成至其后期收縮開始約180d。2條不同收縮時程曲線(JTGD62-2004規(guī)范的數(shù)值定義和試驗實測數(shù)據(jù))作用下的橋面板早期收縮應(yīng)力發(fā)展如圖5所示,圖中負值表示受拉。由圖5可知,在6個月的存梁期結(jié)束時,根據(jù)規(guī)范計算出的混凝土收縮應(yīng)力縱向約為-0.6MPa,橫向約為-0.3MPa,均為拉應(yīng)力;按實測值計算出的混凝土2個月的收縮應(yīng)力縱向約為-0.75MPa、橫向約為-0.3MPa,均為拉應(yīng)力。根據(jù)混凝土收縮應(yīng)力實測結(jié)果,在10d時,混凝土收縮應(yīng)力實測值與規(guī)范計算值接近;在28d時,混凝土收縮應(yīng)力實測值與規(guī)范計算值的比值約為60%。根據(jù)實測收縮應(yīng)變推算得到60d時混凝土收縮應(yīng)力約為規(guī)范計算值的2倍?？梢酝茢?灌河大橋橋面板混凝土的前期收縮量和收縮應(yīng)力均較規(guī)范計算值大,但混凝土在早期(28d前)的收縮量和收縮應(yīng)力的增加并不十分顯著,說明了聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土中由于纖維的性能使得混凝土的早期收縮及其帶來的收縮應(yīng)力較明顯地改善。4橋面板收縮應(yīng)力應(yīng)然發(fā)生因素根據(jù)JTGD62-2004規(guī)范關(guān)于混凝土收縮的數(shù)值定義,其收縮終極值接近570μ,而在早期混凝土存梁期間(180d)其收縮應(yīng)變僅發(fā)生140μ,因此,預(yù)制橋面板架設(shè)完成直至整個運營壽命還有大量的收縮應(yīng)變發(fā)生。早期在橋面板預(yù)制及存放期間,其收縮應(yīng)力主要由鋼筋約束產(chǎn)生,大小主要取決于收縮應(yīng)變、彈性模量及構(gòu)件配筋率。后期橋面板收縮應(yīng)力主要由構(gòu)件邊界條件約束產(chǎn)生,來自外部約束,數(shù)值大小主要取決于結(jié)構(gòu)體系及材料彈性模量。對于灌河大橋橋面板,后期收縮應(yīng)力的大小主要取決于橋面板混凝土的彈性模量。根據(jù)混凝土的材料特性,進入后期收縮階段其彈性模量發(fā)展不大,但根據(jù)以往工程實踐經(jīng)驗,混凝土的彈性模量離散明顯,每批次均有明顯差異。通常在理論計算中,C50混凝土28d彈性模量為3.5×104MPa。而在實際工程中,其彈性模量甚至達到4.2×104MPa,這會對橋面板混凝土的后期收縮應(yīng)力產(chǎn)生一定影響。4.1基于桿系統(tǒng)模型的橋面板的后續(xù)收縮能力4.1.1單元模擬及收縮數(shù)值采用ANSYS建立全橋空間桿系模型(圖6)。其中混凝土橋面板單元和鋼主梁單元之間通過剛臂單元連接以保證剪力的傳遞。塔柱及主梁采用Beam44單元模擬;斜拉索采用Link1單元模擬?；炷潦湛s數(shù)值采用JTGD62-2004規(guī)范的公式計算結(jié)果,并考慮混凝土徐變對收縮效果的折減。通過降溫方式模擬橋面板后期收縮的影響,經(jīng)計算可得降溫溫度為15℃。4.1.2面板板拉應(yīng)力基于桿系模型的橋面板順橋向上緣和下緣的后期收縮應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,在后期收縮作用下,橋面板由于受到體系約束,上、下緣均產(chǎn)生了拉應(yīng)力。上緣應(yīng)力略大,最大應(yīng)力為1.5MPa,位于輔助墩附近,其余位置應(yīng)力較為均勻,約為1MPa。下緣應(yīng)力略小,最大應(yīng)力為1.3MPa,位于輔助墩處,其余位置應(yīng)力約為1MPa。4.2基于板殼模型的橋面板的后續(xù)收縮能力4.2.1結(jié)構(gòu)模型及材料參數(shù)采用ANSYS建立橋面板后期收縮應(yīng)力計算板殼有限元模型(圖8)。其中混凝土橋面板采用Solid45單元模擬;鋼結(jié)構(gòu)采用Shell63單元模擬;斜拉索采用Link8單元模擬。斜拉索約束采用等效索單元彈性支撐模擬。混凝土收縮數(shù)值采用JTGD62-2004規(guī)范的公式計算結(jié)果,并考慮混凝土徐變對收縮效果的折減。通過降溫方式模擬橋面板后期收縮的影響,經(jīng)計算可得降溫溫度為15℃。4.2.2縮應(yīng)力計算結(jié)果基于板殼模型的橋面板橫橋向上緣和下緣的后期收縮應(yīng)力計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,在后期收縮應(yīng)變作用下,橋面板上緣產(chǎn)生1.7MPa的拉應(yīng)力,下緣產(chǎn)生2.2MPa的拉應(yīng)力。4.2.3板殼模型局部應(yīng)力基于板殼模型的橋面板順橋向上緣和下緣的后期收縮應(yīng)力計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,根據(jù)板殼模型計算結(jié)果,在后期收縮應(yīng)變作用下,橋面板上緣拉應(yīng)力為0.9MPa,下緣拉應(yīng)力為1.5MPa。板殼模型上、下緣平均應(yīng)力大小與桿系模型結(jié)果一致,但局部應(yīng)力結(jié)果有所差異。原因如下:(1)板殼模型由于受到計算成本的限制,不能建立全橋模型以反映結(jié)構(gòu)體系的影響,造成不可避免的計算誤差。(2)桿系模型通過剛臂單元連接橋面板和鋼主梁,未準確反映橋面板與鋼結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系,這是造成順橋向應(yīng)力差異的主要原因,相比較而言板殼模型更能反映真實的受力狀態(tài)。在真實的結(jié)構(gòu)中,橋面板與鋼結(jié)構(gòu)的連接通過剪力鍵完成,假定其連接是完全可靠的,橋面板下緣受到更加強大的約束,其應(yīng)力水平應(yīng)該高于上緣。5橋面混凝土順橋收縮應(yīng)力計算本文通過灌河大橋橋面板