万方数据第17卷第2期 中国公路学报Vol. 17 No. 22004年4月 China Journal of Highway and TransportApr. 2004文章编号;1001-7372(2004)02 0055-04混凝土桥梁收缩徐变计算的有限元方法与应用颜东煌,田仲初,李学文,涂光亚(长沙理工大学桥梁与结构工程学院,湖南长沙110076)摘要:将桥梁规范附录四中给出的洗凝土徐变系数表达式用指数函数进行拟合,从而得到了徐变计算的递推公式。利用混凝土收缩应变规律推导出由收缩应变增量产生的单元等效结点力增量,并以此为基础,绘出了用初应变法进行节段施工混凝土桥梁的收缩徐变计算的有限元列式,编制了有限元程序。最后.以三跨等截面混凝土连续梁和长沙湘江能大桥主跨210 m的混凝土料拉桥为例进行了收缩徐变分析,且利用12年实桥现场观测结果验证了其理论分析结果。关键词:桥梁工程;收缩徐变;初应变法;混凝土桥梁中图分类号:U448. 27文献标识码;AFinite element method and application for the shrinkageand creep of concrete bridgesYAN Dong-huang, TIAN Zhong-chu, 1-1 Xue-wen, TU Guang-ya(School of Bridge and Structure Engineering, Changsha University of Scienceand Technology, Changsha 410076, China)Abstract; In this paper,authors have deduced the recursion formulas for the creep calculation ofconcrete by substituting the exponent functions for the creep coefficient expression of concretelisted in appendix 4o f the bridge criterion. They also have deduced the equivalent node forceincrement caused by the shrinkage strain increment in the elements using the rule of the shrinkagestrain of concrete. Based on these facts,a group of finite element formulas are deduced by the wayof the primary strain method, which can be successfully applied to concrete bridges constructedby the method of sections, the finite element program is programmed, and the results from theprogram calculating are validated. The shrinkage and creep calculations of two bridges are madeand compared with the measuring outcomes in the real bridges through 12 years of these bridges.One bridge is a continuous beam bridge which consists of three spans and the sections are equal insize,the other is Changsha Xiang River Bridge which is a concrete bridge and the main span is210m. It is concluded that the formulas and the program are correct and feasible.Key words: bridge engineering; shrinkage and creep; primary strain method; concrete bridge0引言性也不一定相同。例如,在采用悬臂节段施工的混凝土斜拉桥中,结构的形成和自重的作用均是逐阶 对丁大跨度桥梁,通常采用悬臂法分节段施工,段进行的,混凝土的收缩和徐变对结构的变形和内所以各单元的混凝土龄期一般都不相同,其材料特力均有明显的影响,如果不计人混凝土收缩徐变的收稿日期;2003-Oft-03基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目((2000-6-20)作者简介:颜东{,"(1961),93,湖南娄底人长沙理工大学教授,博士牛g师,工学博士.s-n,aa: yaudoughu-O viu, -a. cam万方数据中国公影响,则会对结构变形和内力的计算结果带来不可忽视的误差,造成主梁线形的偏差和受力的不安全性。因此,计算中必须计人混凝卜收缩徐变的影响 混凝土收缩徐变的计算是桥梁结构计算中较为复杂的问题,采用基于位移法的有限单元法进行分析较为方便,考虑徐变的方法以初应变法和有效弹性模量法居多u-s} o笔者以初应变法为例,介绍收缩徐变分析的思路和编程方法,并介绍于1991年初建成的长沙湘江北大桥主跨210 m的混凝土斜拉桥的理论与实测结果1混凝土徐变计算将时间轴划分为‘ 。、IL、…、1,、,叶,、…时刻,在各时刻作用有应力增量△口、△。、…、△。、pa、…。考虑在t。时刻,在At_ (t。一‘、)时间内的情况。在‘时刻,单元内任意一点的应力为。一Xpa(1) 式(1)反映了在,,时刻以前的应力历史。在At,,时间内,如果忽略结构的应力和材料常数变化的影响,则徐变增量为△到’=艺(pa,/D)Ap(t,r)(2)式中:D为应力矩阵;p为徐变系数 将△e州作为初应变,计算其等效结点荷载增量.将其作用在△tm}时段末。根据有限元的基本方法,等效结点荷载增量可表示为△尸流一{B'DAe}"drv= JB'D' Di・A'( l.二))d。一71[Aa;=D(AE,一△£。)二DA£一DAe a, (4)式中:AE为结点位移引起的应变增量;△‘为温度、混凝土收缩、制造误差、张拉延伸以及徐变(上一时步)等初应变的增量。丁BT Aa, dv =丁BTDAe;dv- f BTD・AE ,, dv=AF十△R,一△月(5)AF一{BT DAs; dv = J BT DB dvA8;一:K]`Ad(6)AR一丁BTDAe,;dv(7)式中:AF为由结点位移增量引起的杆端力增量;AR为由△‘引起的固端力增量。式(5)代人式(3)得 路学报2004年AP"一XAF; Ap(t}, , r)(8) 式(5),(8)中△稗不包括由非结点外荷载[如作用在单元中间的各种集中力(偶)或分布力(偶)等〕引起的固端力。因此,它只是引起徐变固端力的那一部分杆端力增量,将其称作为徐变杆端内力增量按式(8)计算单元的徐变等效结点力时,需记 录单元徐变杆端内力的历史△F,`,当计算时步多且单元数量多时,需保存的数据规模将很大,会严重影响解题的速度和求解结构的大小。因此,有必要寻找递推公式来求得△Y`-,。如果徐变系数p( t,r)可表达为指数函数的形式,则可解决该问题。桥梁规范((JTJ 023-85)附录四给出了徐变系数的表达式 p(t,r)二R, (r)+0.4Ra(t一:)+9yr[A(t)一Rr(r)] (9)式中:风,R: .R}.p,为与截面的理论厚度h、加载龄期r和环境条件(相对湿度)有关的函数,是以图表的形式给出的。文献[4[,[6」对该规范公式用指数函数进行了拟合,得到如下的徐变系数表达式* (,,:)一R, (r)+A(0)+艺G, (r)[1一二0,<,-,>] (10)经推导可得如下递推公式△ 尸方卜、一AF'}[Rn (rp)+Ra(0)]+艺W;,i , (1一e 0}“一式中:W-二W} e 0+0`} + AFnC, (r" ) } Wo一△F, C(ro)(i=1一4),rv.r,分别为AFa和△只加载龄期2混凝土收缩计算 混凝土收缩应变对结构的影响也可作为初应变问题来计算.收缩应变通常采用单项指数函数曲线£(t)=£(二)(1一e-) 式中::(二)为收缩应变终极值;P为收缩应变增长速度系数。 由于各单元混凝土的龄期不同,收缩计算的起点也就不同,设混凝土的硬化时间为r,则J, ES r}=:(t"+1一r )一。(,,一动一。(二)[e、一、,一 e a(,,,-’]=:(二)e as一、’(1一eP}mtt)收缩引起的等效结点荷载为 △P"一丁BT DAe" dv 对于杆件单元,由于单元的收缩应变沿截面高度是一致的,因此,所引起的单元等效结点力只有单元轴向的力H,其增量的绝对值为AH一EAAe -第2期颜东煌,等混凝土桥梁收缩徐变计算的有限元方法与应用缩徐变计算单元收缩固端力向量为 JR熟、一「 一△H00,H00]r (11)由收缩应变增量产生的单兀等效结点力增量为 4程序考证 3X30m三跨等截面混凝土连续梁(图7),上梁AP, .",一△R介。 (12)万方数据3程序设计方法 采用增量法求解桥梁结构从施工到运营的全过程受力计算问题n3.1时步的划分斜拉桥 一般采用悬臂法施工,从基础、墩、塔身到主梁均是逐阶段施工的对于主梁采用前支点挂篮进行现浇施工的情况,在每一个标准梁段通常分成7一9个典n9施工状态(工况)、如:①挂低前移;②斜拉索牵拉挂篮并进行第一次张拉;③浇主梁混凝土的一半;④斜拉索第二次张拉;⑤浇完主梁混凝土;⑥混凝土待强、张拉预应力、斜拉索锚点从挂篮上转移至主梁上;⑦斜拉索第三次张拉。一个梁段4般10 d左右完成。因此,在施工阶段一般按施工上况分时步已足够细化了,对于个别大工况,如二期恒载施工.可再细化成几个时步运营阶段通常至少要计算5年,收缩徐变都基本遵循指数函数规律,因此,各时步长可按对数函数来自动选取S=(I nT, - InT,)/n, 1nT,,=InT; }5式中:T、为成桥时刻(d); T。为收缩徐变计算最终时刻(d);二为运营期间计算时步数;5为时间对数步长;T丁.十(i = 0,1,… ,n)分别为第:和i+1时步对应的时刻(d),i =。对应T.时刻例如:T, = 700d,成桥后计算5年,则T。二700+5 X 365一2 525d.取n一10,则S=(In2 525一In700)门。=0.12829,10个计算时rlil分别为:796,905,1029,1 169,1 329,1 511,1 718,1 954,2 221,2 5253.2程序设计思路 这里仅对混凝上收缩徐变的计算思路进行说明,计算收缩徐变基本步骤:首先是输人基本参数.确定时间轴,然后进行时步循环,时步循环结束则收缩徐变计算结束。其中在时步的每一次循环中又包括7个主要步骤按顺序依次为:计算外荷载[对温度、制造误差等初应变按式(7)计算OR];计人上一时步的收缩徐变等效结点荷载,同时将其反号叠加至△R中作为徐变初应变影响部分;结构刚度矩阵计算;求解总刚,获得结点位移增量;杆端内力增量计算,将其作为式((6)中的△F;结点位移和杆端内力累加;按式(8)计算下一时步的收缩徐变等效结点荷载这样即用有限元的方法实现了混凝十的收截面几何特性为:A一4 tri' . I=4 m",容重Y=25kN/m',弹性模量E=3 X 10' MYa;混凝土徐变特性按《桥规户」附录四计算,梁体理论厚度h一400mm "p‘二2.8,混凝土的初始加载龄期为7 d,混凝土收缩终极值E..取200 1<a,收缩率P取。. 006 5将主梁均匀分成45个单元、46个结点。图1计算简例结构/ /cmFi g. 1 Simple calculating srtucture 三跨连续梁在支架上分三次现浇,各梁段依次浇筑后经养护一周后落架,前后梁段落架时间相隔二周。第一段现浇36 m,即第一孔再加6 m悬臂,养生7d后落梁,经7d准备后在支架卜浇筑第二段30 m,即第二孔浇完,再加第三孔浇6 m,养生7d后落架,再经7d准备后在支架上浇筑最后一段24m,同样养生7d后落架成桥。用本文程序按以上工序进行分析后,主梁的弯矩如图2所示。中支点的弯矩与文献[8]和文献「2]的比较见表1.。:5 1 0 00000卜0 F广一*‘一入一计憋 ̄不ira 4.之刃一人、入./之撰气、7.韧-5001)一]0 0000 10 20 3n40 50 6070 80 9o主梁刃坐标zm图2成桥3年时主梁弯矩 Fi g. 2 Bending moment for girder after completionon construction for three years表1 中支点弯矩比较/kN "m fhb. I Comparison with moment an intermediate bearing point内容}文iOC8:一}文献[2」一本文不计支点1弯矩一4 940徐变支点2弯矩一}一一4。3。一6 9997 022计徐变支点‘弯矩一}}一8476一}一8。5一7 9903年时支点,弯矩一}一。161。-8 900一}88385实桥算例 长沙湘江北大桥为跨度105十210干105 m的双塔单索面预应力混凝土斜拉桥(图3),其主塔为纵向倒Y型,自桥面起塔高53. 72 m,塔身横桥向宽中国公路学报2004年时间i d000 2000 3 000 4 0003. 5 m。主梁为高3.4 m的等截面单箱三室箱梁,翼板悬挑达4. 9 m.顶板宽30. 1 m。上梁上索距6.万方数据2 m,一个6.2 m梁段重3660 kN,箱梁设纵、横、竖三向预应力。斜拉索为热挤PE防护的平行钢丝索,索型为151,163,169,199,211和21707共6种主梁和主塔混凝土标号分别为40”和50",斜拉索钢丝极限强度为1 600 MYa。结构体系上为塔梁墩固结,主塔墩采用双肢薄壁墩以减小温度变化对中跨的影响。本桥边、中跨比为。.5,这种布孔使体系刚度下降目_梁塔活载弯矩增大。但由于梁塔固结以及主梁采用较高的箱梁.所以结构刚度能满足要求.且梁塔受力也可行。图3长沙湘江北大桥210 m斜拉桥结构计算Fi g. 3 Structure for calculating about ChangshaXi ang River Bridge-a cable-stayed bridgewi th a main span of 210 m 该桥上梁采用对称悬臂现浇法施工,每个索距分A,B个3. 1 m长的梁段,其中B型梁段为斜拉索锚固段,用后支点挂篮整个梁段一次连续浇筑,斜拉索在对应梁段内分二次张拉到位,第一次张拉在B型梁段浇筑完后,第二次张拉在下一个A型梁段浇筑完后。该桥于1991年1月30口竣工通车。主梁上设有32个标高永久观测点,成桥后不定期地进行了12年的主梁标高观测。按施工过程计算成桥,成桥后再计算12年混凝土收缩徐变影响。混凝上收缩徐变参数按桥梁规范取值.其中收缩终极值取210 i<e,收缩率取。. 006 5,各梁段混凝土初始加载龄期按10d计。从竣工之日起,12年的混凝土收缩徐变引起的中跨跨中点的竖向位移(向下)随时间的变化曲线见图4,从图4可见:12年内中跨跨中累计位移可达138 mm,并且与实测值也比较吻合。图5为1998年8月相对成桥时理论挠度与实测挠度的比较,两者整体上符合较好6结语 (1)用简洁明确的方式给出了用初应变法分析混凝土桥梁收缩徐变影响的有限元方法,其计算结果得到了较好的验证(2)对长沙湘江北大桥主跨210 m的混凝土斜拉桥进行收缩徐变分析.其理论计算值得到了12年 ̄理论值右 ̄实测值日/妞塑于_--11800劣一12旧J-14们J一16引图心长沙湘江北大桥主桥混凝土收缩徐变引起的中跨跨中挠度 Fi捧4Deformation in the middle of main span aboutChangsha Xiang River North Bridge due toconcr ete shrinkage and creep:: }2n钊 ̄理论值 日  ̄实制值‘ 一4八U ̄侧一6O辉一石月O!:)玉5s}su; 75}芝芝芝的叭的梁段弓图5 成桥7年时理论挠度与实测挠度比较Fi g. 5 Comparision with theoretical deformation andmeasuri ng deformation after completion onconst ruction for seven years观测结果的较好验证参考文献:播家英.混凝土结构的徐变计算C1二.土木工程学报,1983.16(4):29 40.王书庆.徐变自动增量分析方法及其在BROAD系统中的实现[A].中国公路学会桥梁结构和结构工程学会1999年桥梁学术讨论会论文集CC二.北京:人民交通出版社,1999.广一n八「一一郑信光.变位法分析馄凝土桥梁的徐变影响[」」.重庆交通学院学报,1984,3(3);31-39.厂1「占一一郑信光,韩振勇,项海帆.桥梁节段施工过程的徐变分析C1].同济大学学报,1991,19(3):355-362.厂l叹「U一朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京水利电力出版社,1979.llL内卜刁李国平,刘健.大跨连续梁桥线形最优施工控制的理论与方法[1.华东公路,1992,15(2):66-69FL门了刁JJTJ 023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范CS].Ln凸刁Jes范,7.础.预应力混凝土连续梁桥二M口.北京:人民交通出版社,1988.