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热湿力多场联合作用角度分析大跨悬浇PC箱梁桥时变结构行为
时间:2020-09-13 09:50 | 栏目:土木工程 | 浏览:次
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对于大跨悬浇箱梁桥主梁空间应力而言，混凝土自收缩变形对梁体早期应力影响显著，需要在设计计算和施工控制中引起足够的重视。因先后浇筑节段收缩规律不一致产生的拉应力已经超过了规范允许限值，横、竖向预应力束对于控制这种拉应力起着重要作用，即使在顶板翼缘跨度不大的情况下，横向预应力束也不宜轻易取消。
第 1 章 绪 论
1.1 立题背景与研究意义
现阶段，交通运输事业在我国已进入了一个前所未有的辉煌时期，桥梁是线路中的重要组成部分，往往成为整条线路的控制工程。据交通运输行业发展统计公报统计[1],近十年来，我国公路桥梁平均以每年约 2.7 万座的速度增长，如图 1-1 所示，截至 2017 年，全国公路桥梁共 83.25 万座、 总延米为 5 225.62 万米，比上年增加 2.72 万座、 308.66 万米，其中特大桥梁 4 646 座、 826.72 万米，大桥 91 777 座、2 424.37 万米，全国铁路桥总量约 60 万座，城市桥梁约 10 万座。混凝土桥因取材方便、施工便捷、适用性强、造价较低、便于养护等优点，占到桥梁总数的 90%以上。
混凝土桥依然会在新建桥梁中占到绝大多数。对于公路而言，根据《国家公路网规划（ 2013 年 – 2030 年）》[3]，我国将投入 4.7 万亿元，到 2030 年，普通国道约增加 15.9 万公里，高速公路约增加 3.3 万公里，同时改造升级已建 10 万公里普通国省干线公路。对于铁路而言，根据《中长期铁路网规划（ 2016 年 – 2030 年）》[4]，到2025 年，铁路网规模达到 17.5 万公里左右，其中高速铁路 3.8 万公里左右；到 2030 年，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。我国地貌类型多样，地形复杂（山地 33%，高原 26%，盆地 19%，平原 12%，丘陵 10 %），对于高速公路、铁路及某些特殊地质地段，桥梁占比高达 80%，甚或更高，如广珠城际铁路中，桥梁比例占到了 94.2%，如图 1-2 所示。可以预见，我国桥梁建设还存在巨大发展空间，混凝土桥因其特有的优点，依然会在桥梁工程中占据主导地位。
1.2 国内外研究现状与存在的问题
根据裂缝出现的原因可以分为结构性裂缝和非结构性裂缝，非结构裂缝是指主要由温、湿度作用及内外部约束等因素引起的裂缝。根据裂缝出现的时间顺序可以分为早龄期裂缝（ 0 ~ 28d）、中龄期（ 28 ~ 180d）和晚龄期（ 180d 以后）裂缝。根据文献[6]的调查结果显示，几乎 100% 的悬浇 PC 箱梁桥均出现了不同程度的开裂病害，且多种裂缝并存。文献[16]的研究表明，混凝土结构中 80%的裂缝在早期已经产生。 施工过程中的混凝土桥梁结构效应不仅与承受的各种荷载作用有关，还受环境温、湿度场作用以及自身收缩徐变特性等因素影响。 Frosch、Mohsen、Viktor、Elsafty、李国栋、张登祥、李曙光、袁勇等[17-24]在调查分析大量早龄期混凝土开裂现象后，均认为这种裂缝的产生主要与温度作用、湿度作用及内外部约束等有关。具体而言，影响施工过程中混凝土桥梁结构效应的因素主要有：
（1） 施工期间承受的荷载（力场作用）
施工期间可能承受的恒载有结构自重、预应力等，可能承受的临时荷载有施工机具及人员重量、临时堆放的材料自重、临时支撑结构的不均匀沉降等。
（2） 混凝土温、湿度场作用
多数桥梁因施工环境复杂，混凝土从凝结硬化开始就不断与所处环境进行温、湿度交换，会在混凝土内部形成非均匀的温、湿度梯度，温度梯度引起温度应力，湿度梯度引起湿度应力[25]。除此之外，混凝土内部湿度减小将导致收缩变形，当收缩变形受到约束时，也会产生约束拉应力[26]。
（3） 混凝土早龄期徐变作用
在混凝土凝结硬化过程中，收缩受到约束会产生拉应力，而混凝土的徐变会引起应力松弛[27]。
（4） 混凝土物理力学特性的发展
混凝土材料在凝结硬化中过程承受热–湿–力多场（温度场、湿度场、力场）联合作用的同时，其物理力学特性也在逐步发展当中，当作用效应大于混凝土材料抗力时，即会产生不可逆的损伤，甚或出现拉伸裂缝[25-26,28-29]。因此，施工过程中的混凝土桥梁多场联合作用效应也与混凝土物理力学特性的发展有关。现分别对各因素的研究现状进行综述如下。
混凝土桥在成桥过程中会受到环境温度场作用，影响混凝土桥温度场的因素主要有环境气温变化、日照辐射以及混凝土自生的水化热等[30]。在混凝土凝结硬化过程中，混凝土的温度场变化主要由自生水化反应进程驱动，水化反应产生的热量一部分被混凝土吸收，表现为混凝土温度升高；随着时间增长，当水化反应基本完成后，混凝土的温度场主要由环境温度驱动，当环境温度高于混凝土内部温度时，热量向混凝土内部传导，表现为混凝土温度逐渐升高，反之，热量则从混凝土内部往外辐射，表现为温度逐渐降低。因受温度传导速率的影响，混凝土内部温度响应总是滞后于环境温度变化[31]。 关于环境气温变化及日照对混凝土桥温度场的影响，国内外学者做了许多的研究。国内如叶见曙、赵人达、李亚东、方志、彭友松等[30,32-36]研究了太阳辐射、环境温度作用下混凝土箱梁温度场的空间分布，国外如 Roberts-wollman、Lee、Hedegaard 等[37-39]通过现场实测了混凝土梁桥断面温度梯度，并提出了相应的温度效应分析方法。国内外许多规范提供了不同的温度梯度计算模型[40]，但关于凝结硬化过程中混凝土梁桥温度场的作用效应和使用过程中的寒潮侵袭作用研究较少，本部分主要介绍水化过程和寒潮侵袭作用对混凝土桥温度场的影响研究现状。
第 2 章 混凝土热–湿–力多场联合作用机理
2.1 引言
桥梁混凝土在由材料凝结硬化成受力构件过程中，受到环境温度、湿度、自生水化热、收缩徐变、自重及预应力等共同作用（即热–湿–力多场联合作用），由此产生弹性及非弹性变形。若这些变形受到内、外部条件约束，则进一步引发混凝土材料产生附加变形，与此同时，混凝土材料力学性能也处在随时间不断发展之中，当联合作用效应超过材料抗力时，就会产生不可逆的损伤[19-20]。 热–湿–力多场联合作用产生的损伤累积到一定程度，表现形式之一即为早龄期混凝土裂缝的产生。在混凝土结构中普遍存在早龄期混凝土开裂现象。李国栋[21]现场调查了我国东北在建八座混凝土梁桥，发现主梁混凝土在结硬过程中就产生了不同程度的开裂病害。Subramaniam[165]调查研究了纽约州混凝土桥面开裂情况，发现大量裂缝在混凝土浇筑 48 小时内就已经产生。混凝土梁桥在成桥过程中既已产生的不可逆损伤，在工程实践中，主要侧重于非结构裂缝的防控，但往往因为认识不清，防控措施缺乏足够的针对性，使得施工过程中开裂现象仍然频发[16,24]。而对于裂缝原因的分析，往往强调单一因素作用，如文献[21]重点探讨了收缩致裂机理，文献[166]则把拆模后混凝土主梁腹板开裂归因为早期水化热过大所致。因混凝土梁桥原材料配合比多样、构件尺寸大、部分桥梁成桥周期长、使用环境复杂多变，温、湿度传导又具有耦合特性，其效应具有明显的时变性与空间性，需要建立与之相适应的热–湿–力多场联合作用效应分析方法[86,112]。 在本章，基于等效水化理论，将温、湿度场性能参数与混凝土力学特性参数的演变描述为混凝土等效龄期的函数，提出温、湿度场顺序耦合分析模型，为建立热–湿–力多场联合作用分析方法奠定基础。
2.2 早龄期混凝土温、湿度场耦合传导机理。
由于自身水化热和外部环境（大气温度、太阳辐射等）的共同作用，混凝土一直与外部环境处于动态的热平衡之中。在混凝土结硬过程中，混凝土温度主要由水化热驱动；随着时间增长，当水化反应基本完成后，混凝土的温度场主要由环境温度驱动，因受温度传导速率的影响，混凝土内部温度响应总是滞后于环境温度变化[31]。 根据环境湿度和水泥浆体的孔隙率不同，水泥浆体中常保有大量的水分。根据水分从水泥浆体中失去的难易程度，可对混凝土水泥浆体中的水分进行分类。根据 105 °C时水分是否能从混凝土内蒸发出来，分为可蒸发水与不可蒸发水。可蒸发水包括：毛细孔水、物理吸附水、层间水等；不可蒸发水包括化学结合水等。毛细孔水是孔径大于 50 Å 的孔隙里存在的水分。吸附水指吸附在水化物固体表面的水，在引力作用下，浆体中的水分子物理吸附到固相表面，被氢键物理吸附达 6 个水分子层厚（ 1.5 nm）。
2.2 早龄期混凝土温、湿度场耦合传导机理。
由于自身水化热和外部环境（大气温度、太阳辐射等）的共同作用，混凝土一直与外部环境处于动态的热平衡之中。在混凝土结硬过程中，混凝土温度主要由水化热驱动；随着时间增长，当水化反应基本完成后，混凝土的温度场主要由环境温度驱动，因受温度传导速率的影响，混凝土内部温度响应总是滞后于环境温度变化[31]。 根据环境湿度和水泥浆体的孔隙率不同，水泥浆体中常保有大量的水分。根据水分从水泥浆体中失去的难易程度，可对混凝土水泥浆体中的水分进行分类。根据 105 °C时水分是否能从混凝土内蒸发出来，分为可蒸发水与不可蒸发水。可蒸发水包括：毛细孔水、物理吸附水、层间水等；不可蒸发水包括化学结合水等。毛细孔水是孔径大于 50 Å 的孔隙里存在的水分。吸附水指吸附在水化物固体表面的水，在引力作用下，浆体中的水分子物理吸附到固相表面，被氢键物理吸附达 6 个水分子层厚（ 1.5 nm）。
由于水分子的键能随其与固相表面的距离增大而减小，当水泥浆体干燥至 30% 的相对湿度时，大部分吸附水会失去。层间水是一种与 C–S–H 的层间结构有关的水，在 C–S–H层与层之间，一个单分子水层被氢键牢固地固定，当相对湿度低于 10% 时才会失去。化学结合水是构成水泥水化微观结构的一部分，这种水不会在常温常压下因干燥而失去，只有在水化物受热分解时才会失去。水泥浆体中各类型水的图解模型如图 2-4 所示。
第 3 章 混凝土热–湿–力多场联合作用数值分析方法
3.1 引言
3.2 温、湿度场数值分析方法
3.3 混凝土本构关系
3.4 多场联合作用效应的数值分析方法
3.5 本章小结
第 4 章 混凝土结构三维非线性徐变效应分析方法
4.1 引言
4.2 三维非线性徐变效应分析模型
4.3 数值计算程序
4.4 算例分析
算例一：钢-混组合梁长期性能试验
算例二：钢管混凝土徐变试验
算例三：混凝土简支梁非线性徐变试验
4.5 轴压圆钢管混凝土短柱非线性徐变效应分析
4.6 本章小结
第 5 章 基于热–湿–力多场联合作用的悬浇 PC 箱梁桥梁段腹板早龄期开裂分析
5.1 引言
5.2 工程概况
5.3 有限元模拟
5.4 计算结果分析
5.5 本章小结
第 6 章 寒潮作用下大跨 PC 箱梁桥效应分析
6.1 引言
6.2 寒潮作用下温度场分析
6.3 寒潮作用下大跨 PC 箱梁桥效应分析
6.4 本章小结
第 7 章 大跨 PC 箱梁桥三维非线性收缩徐变效应分析
7.1 引言
7.2 工程实例概况
7.3 计算模型
7.4 三维非线性收缩徐变效应分析
7.5 大跨径 PC 箱梁桥长期下挠的简化算法
7.6 本章小结
结论与展望
结论
预应力混凝土（PC）箱梁桥在我国得到广泛应用的同时，普遍出现了严重开裂和过度下挠等病害。本文在广泛调查研究的基础上，从温度场、湿度场、力场（热–湿–力）多场联合作用机理入手，考虑混凝土从流塑性状态凝结硬化为受力构件过程中的多因素共同作用，建立了适用于 PC 悬浇箱梁桥的热–湿–力多场联合作用效应分析方法，定量分析了各因素的影响程度。针对 PC 悬浇箱梁桥服役期间大量裂缝的特点和箱梁应力分布的空间特征，提出了混凝土结构三维非线性徐变效应分析模型，建立了相应的数值分析方法，通过典型的徐变试验，验证了方法的可靠性，并结合某主跨 220m的 PC 箱梁桥近七年的线形监测资料，综合考虑环境变化、预应力损失等因素等影响，实现了徐变作用与梁体损伤演化的耦合分析，分析了该桥的箱梁空间应力与跨中长期下挠的时变规律。 通过对本文主要研究成果归纳，可以得到如下结论：
1. 所建立的基于混凝土热–湿–力多场联合作用的大跨度 PC 箱梁桥结构效应分析方法，可以实现桥梁主体重力荷载、预加力作用、温度作用、环境湿度作用等对桥梁结构的联合作用效应分析。
（1） 提出了一种混凝土热–湿–力多场联合作用效应分析方法。首先，基于等效水化理论，将温湿度传导过程与混凝土材料力学性能演变描述为混凝土等效龄期的函数；然后，建立热–湿–力多场联合作用效应分析理论框架，该框架主要包括温、湿度应力计算理论与随龄期演变的混凝土本构关系。
（2） 在此基础上，建立起基于 ABAQUS 的可有效模拟复杂施工环境下的多场联合作用效应数值分析方法，并通过典型试验验证了所提方法的准确性。
2. 所建立的基于混凝土弹塑性力学与连续介质损伤力学的混凝土结构三维非线性徐变效应分析方法，可以实现桥梁结构徐变作用与梁体损伤演化的耦合分析。
（1） 提出了一种新的三维非线性徐变效应分析模型。首先，通过徐变泊松比提 出了多向应力状态下的徐变预测模型；然后，以混凝土塑性损伤本构模型为基础，实现了徐变作用与材料非线性的耦合分析，并结合有限元分析软件 ABAQUS 建立相应的数值分析方法。通过钢–混组合梁长期试验、混凝土简支梁非线性徐变试验以及钢管混凝土线性与非线性徐变试验等充分验证了所提方法的准确性。
（2） 所提方法具有普适意义，能够广泛适用于混凝土结构和钢混组合结构不同应力状态下的线性、非线性徐变效应分析。
3. 基于热–湿–力多场联合作用效应分析方法的悬浇 PC 箱梁桥梁段腹板早龄期开裂分析结果表明，湿致收缩与先浇节段的约束作用共同导致了腹板裂缝的出现。
（1） 针对悬浇 PC 箱梁桥的构造、施工特点，基于热–湿–力多场联合作用分析方法，结合有限元分析软件 ABAQUS 建立了有限元仿真模型，实现了复杂施工环境下悬浇 PC 箱梁桥凝结硬化过程中的多场联合作用效应分析。
（2） 湿度传导速率要远小于温度传导，即使对于薄壁构件而言，依然会在表层形成较大的湿度梯度。当保湿效果得不到有效保证时，湿度场引起的应力将显著大于温度场作用，这需要在前期设计和施工养护阶段引起足够重视。
（3） 对于腹板等薄壁构件而言，湿致收缩与先浇节段的约束作用是导致了腹板裂缝的出现的主要原因之一。
4. 基于混凝土结构三维非线性徐变效应分析方法的大跨 PC 箱梁桥时变结构行为分析结果表明，收缩的三维特性是导致箱梁接缝处拉应力过大的主要原因，收缩徐变的三维特性和徐变的非线性特征对主梁长期下挠预测有显著影响。
（1） 对于大跨悬浇箱梁桥主梁空间应力而言，混凝土自收缩变形对梁体早期应力影响显著，需要在设计计算和施工控制中引起足够的重视。
（2） 在大跨悬浇箱梁桥的设计计算过程中，须综合考虑收缩徐变的三维特性和徐变的非线性特征对主梁长期下挠预测的影响，否则会显著低估主梁的长期变形。
（3） 为降低三维非线性徐变分析理论的应用难度，合理预测大跨 PC 箱梁桥的长期下挠，建立了基于梁单元分析结果的简化算法。首先根据不同因素（如材料非线性、徐变三维特性、跨径、有效预应力等）对长期下挠的影响规律，建立考虑各因素的参数表达式，对采用线性徐变理论的梁单元模型分析结果进行修正，再用三维非线性徐变理论的实体单元模型分析结果对参数进行拟合，用以反映徐变的三维特性和徐变的非线性特征等因素对跨中长期下挠的影响。计算结果表明，提出的表达式物理意义明确，且具有相当的精度。
展望
混凝土结构的热–湿–力多场联合作用效应分析是非常复杂的技术难题，大跨 PC箱梁桥复杂的使用环境使得这一问题更为复杂，本文虽然做了大量的理论分析，澄清了一些工程应用的是非问题，但随着研究的深入，又会发现一些新的问题有待进一步研究，具体体现在以下几个方面：
（1） 对于早龄期混凝土开裂而言，在混凝土弹塑性力学的理论框架下，裂缝区域的混凝土除了产生徐变变形，还会产生明显的塑性变形，需要建立随时间不断演变的混凝土粘塑性本构关系，而这尚需进一步研究。
（2） 对于多轴应力状态下的混凝土徐变预测研究，无论是试验资料还是理论分析都比较欠缺，相关工作有待进一步研究。
（2） 对于多轴应力状态下的混凝土徐变预测研究，无论是试验资料还是理论分析都比较欠缺，相关工作有待进一步研究。
（3） 通过与下挠实测值的对比，考虑了配合比、外加剂、骨料类型等多种因素影响的 B4 模型与实测值更为接近。但采用 B4-1000MPa 工况的计算值较实测值仍然偏小，依然不能完全解释算例的超下挠现象。作者认为，一是桥梁的初始状态因施工环境、工艺、管理水平的差异而不同，带有不同程度的初始缺陷或损伤；二是裂缝的出现会增加主梁混凝土与大气的接触面积，会加剧混凝土的收缩徐变效应。这些均会进一步加剧桥梁结构的长期下挠，相关内容尚需进一步研究。
（4） 对于交通量大，重车频繁的大跨 PC 箱梁桥，还应计及交通荷载对徐变行为的影响。
（5） 本文虽然提出了热–湿–力多场联合作用效应分析方法，计算分析了大跨 PC箱梁桥早期开裂的原因与各因素的影响程度，但由于计算条件的限制，并没有定量分析因热–湿–力多场联合作用产生的初始损伤对大跨 PC 箱梁桥长期结构行为的影响，这也是本文的遗憾之一。
（6） 为便于三维非线性徐变理论在实际工程中的运用，本文建立基于梁单元分析结果的拟合公式，但严格意义上讲，影响跨中下挠的各因素之间并不全是线性无关的，本文建立的离散化显性拟合公式具有一定程度的近似性。如能引入更为先进的数学算法，如神经网络系统等，再结合更多的计算结果，公式的预测精度会更高。
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