５８ 低温建筑技术 ２０１５年第４期（总第２０２期） ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．０４．０２１ 组合桥面板混凝土收缩自应力分析 步龙 ２０００９２） （同济大学桥梁工程系， 上海【摘要】 为了了解混凝土收缩对钢一混凝土组合桥面板受力性能的影响，本文通过对平钢板一混凝土组 合板混凝土收缩自应力进行研究，通过建立板壳一实体有限元混合模型，计算分析钢板厚度、配筋率、构件理论厚 度等各种参数变化下的钢一混组合结构的收缩自应力，提出该种形式下降低混凝土收缩自应力的优化措施。 【关键词】组合桥面板；混凝土收缩；参数优化；有限元 【中图分类号】ＴＵ３７８．５ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】１００１—６８６４（２０１５）０４—００５８—０４ 目前桥梁中桥面板主要类型有混凝土桥面板和 钢桥面板（或称正交异性桥面板）…。传统的混凝土 桥面板由于自重大的缺点了其自身及整座桥的 跨越能力；许多有重交通荷载通行的钢桥面板在使用 数年或十几年后相继出现了疲劳破坏现象。近年来 随着钢一混凝土组合结构的广泛应用，也有很多学者 对组合桥面板进行了相应研究。 国内外很多学者提出了各种不同钢一混组合桥 面板形式，如杨勇 的平钢板一混凝土组合桥面板、 邵旭东 的新型钢一ＲＰＣ组合桥面板结构，韩国的 图１平钢板—混凝土组合板截面 １１ｔ２标准有限元模型 模拟，混凝土和钢板之间为刚性连接；混凝土采用Ｃ６０ 混凝土，混凝土容重为２６ｋＮ／ｍ ，弹性模量为３．６ Ｘ １０ ＭＰａ，泊松比为０．２，线性膨胀系数为１．０×１０一。 钢材采用了Ｑ３４５ｑｄ，容重为７８．５ｋＮ／ｍ ，弹性模量 ２．０６ Ｘ １０ ，泊松比为０．３，线膨胀系数为１．２ Ｘ １０～。 Ｈｙｅｏｎｇ—Ｙｅｏｌ Ｋｉｍ 的压型钢板一混凝土组合板，李 杰 提出的正交异性钢一混凝土组合桥面板等。 虽然钢一混凝土组合桥面板的研究较多，但是混 凝土收缩对组合桥面板整体的受力性能影响并没有 相应具体分析。本文针对平钢板一混凝土组合桥面 板进行研究，研究在钢板厚度、混凝土板配筋率、构件 理论厚度等３个参数变化下，混凝土收缩自应力的变 化情况，提出可以降低混凝土收缩自应力相应措施。 对此，本文通过建立ＡＮＳＹＳ板壳一实体有限元模型， 通过对模型中不同参数的变化，分析各种参数变化下 混凝土收缩对桥面板整体受力情况的分析，并通过参 数的对比分析，得出相应的优化措施。有限元计算 钢筋采用ＨＲＢ３３５，容重为７８．５ｋＮ／ｍ ，弹性模量 ２．０×１０ ，泊松比为０．３，线膨胀系数为１．２×１０～。模 型中，在立方体下表面四条边节点均施加竖向约束， 其中两条边节点施加了水平向约束，如图２所示。 混凝土板整体收缩，底部钢板对于混凝土板有约 束作用，带来混凝土一部分受拉，混凝土受拉性 能又较弱，故主要的关键研究点是组合结构中混凝土 最大拉应力，本文主要对于混凝土拉应力进行分析。 ２ 不同钢板厚度对混凝土收缩自应力影响 中，混凝土收缩模型采用我国现行Ｊ］ｒＧ Ｄ６２—２ｏｏ４￣公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 收缩 模型，收缩绝对龄期假设为７天，并换算成等效温度荷 载，在有限元软件ＡＮＳＹＳ中通过温度荷载实现。 １有限元模型 采用标准模型，模型中无钢筋，仅仅变化模型中 钢板厚度，计算出龄期２８ｄ、９０ｄ、１８０ｄ、１年、１０年混凝 土收缩作用下，混凝土最大拉应力。计算结果如图３ 所示，图中可以看出随着龄期增加混凝土拉应力也相 平钢板一混凝土组合板截面形式如图１所示，混 凝土在上，高度固定为１００ｍｍ，钢板在下，厚度是一变 应增加，一年之内混凝土拉应力随着龄期变化明显， 但是一年后混凝土拉应力增长幅度已经不大，龄期十 年的混凝土最大拉应力比龄期一年混凝土最大拉应 力增加约１．３８％。 化参数；混凝土与钢板之间的连接假定为刚性连接。 选取截面形式为１００ｍｍ Ｘ ｌＯＯｍｍ×１００ｒａｍ的立 方体平钢板一混凝土组合板作为标准有限元模型如 图２所示。在ＡＮＳＹＳ有限元模型中，混凝土采用实体 单元模拟，钢梁采用板壳单元模拟，钢筋采用杆单元 为了更好看出钢板厚度对混凝土收缩自应力的 影响，把所有相同龄期下不同板厚的混凝土拉应力增 加值绘制在图４中，图中可以看出钢板厚度对混凝土 步龙：组合桥面板混凝土收缩自应力分析 ５９ 鼍ｄ罢 氆卅燃赔 龄期，ｄ 图３不同钢板厚度混凝土拉应力随龄期变化 拉应力增加在板厚较小时曲线增加幅度较大，随着板 厚的增加到１０ｍｍ以后曲线明显平缓，对混凝土应力 影响减小。钢板厚度的增加，必然会导致钢板钢度的 增加，在混凝土收缩时钢板对混凝土的约束作用也会 增加，必然会导致混凝土拉应力的增加，钢板越厚导 致混凝土收缩作用下混凝土承受更大的拉应力，对整 体结构不利，龄期越大危害越明显。 钢板厚度／ｍｍ 图４相同龄期不同板厚混凝土应力差值曲线 ３不同配筋率对混凝土收缩自应力影响 采用标准模型的基本参数，选取钢板厚度为６与 １２ｒａｍ的两种模型进行分析，模型中钢筋用ＬＩＮＫ８单 元模拟，钢筋分为单向与双向配筋两种方式，龄期统 一选用２８ｄ。单向配筋的模型，分析中分析顺钢筋向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向的混凝土最大拉应 力；双向配筋模型，两侧配筋率取相同数值，故两侧混 凝土应力相同只取一侧混凝土最大拉应力进行分析。 当平钢板厚度为６ｍｍ时，龄期２８ｄ时单向配筋与 双向配筋下混凝土最大拉应力如图５所示。图中可以 看出，随着配筋率的增加，双向配筋的混凝土拉应力 以及单向配筋的垂直钢筋向的混凝土拉应力都是先 降低后增加的趋势，且拐点均在配筋率为０．２８％时； 单向配筋的顺钢筋向的混凝土拉应力随着配筋率的 增加呈现降低的趋势。在配筋率小于１．５６％时，无论 单向配筋还是双向配筋的试件混凝土最大拉应力均 小于无配筋时的试件；当配筋率高于１．５６％时，配筋 的混凝土拉应力均大于素混凝土时混凝土的最大拉 应力。双向配筋时，在配筋率为０．２８％时，混凝土最 大拉应力较素混凝土时混凝土最大拉应力减小了 －耋景安 ３．３３％；单向配筋时，在配筋率为０．７０％时，顺钢筋向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相同，此时混凝土最大拉应力较混凝土时混凝土最大 拉应力减小了１．６８％ 。 当平钢板厚度为１２ｍｍ时，龄期２８ｄ时单向配筋 与双向配筋下混凝土最大拉应力如图６所示。图中可 以看出，与图５的曲线趋势基本相同，但是图６中曲线 拐点明显上移且配筋对混凝土最大拉应力的降低趋 势已经不明显；随着配筋率的增加，双向配筋的混凝 土拉应力以及单向配筋的垂直钢筋向的混凝土拉应 力都是先降低后增加的趋势，且拐点均在配筋率为 ０．１３％时；单向配筋的顺钢筋向的混凝土拉应力随着 配筋率的增加呈现降低的趋势。在配筋率小于 ０．２６％时，单向配筋试件垂直钢筋向的混凝土最大拉 应力小于无配筋时的试件；在配筋率小于０．３６％时， 双向配筋试件的混凝土最大拉应力小于无配筋时的 试件。双向配筋时，在配筋率为０．１３％时，混凝土最 大拉应力较素混凝土时混凝土最大拉应力减小了 ０．７１％；单向配筋时，在配筋率为０．１９％时，顺钢筋向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相同，此时混凝土最大拉应力较混凝土时混凝土最大 拉应力减小了０ ２９％。可以明显看出，当钢板厚度增 加，钢筋对降低混凝土最大拉应力作用已经基本失效。 一 朋ｌ 腿／Ｊ 一无三 箍 一双钢向筋配应筋力—应九／ 配筋率，％ 不同配筋率下混凝土最大拉应力 二羹嘉露嫠舅应 一双向配筋廖 一无钢筋应力／—，】，，ｒ ／， ／ ～， 配筋率，％ 图６钢板厚１２ｒａｍ时不同配筋率下混凝土最大拉应力 通过对钢板厚度６与１２ｍｍ两个试件模型的分析 对比得出，当钢板较薄时，合适的配筋率可有效降低 混凝土收缩时混凝土板的最大拉应力；钢板厚度较大 低温建筑技术 ２０１５年第４期（总第２０２期） 时，配筋已对降低混凝土收缩时混凝土最大拉应力几 乎没有作用。还可看出，无论钢板厚度多少，不合适 的配筋率都会导致混凝土拉应力增加，故在设计组合 板混凝土配筋时一定要多方面考虑权衡利弊。 ４构件的理论厚度对混凝土收缩自应力影响 根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范》的混凝土收缩模型公式，构件的理论厚度是公 式中对混凝土收缩应变起直接作用的因素，构件的理 论厚度ｈ＝２Ａ／ｕ，其中，Ａ为截面面积；“为构件与大气 接触的周边长度。所以改变截面的形式，一定对混凝 土收缩自应力产生影响。 表１ 不同截面混凝土收缩应变 截面形式／ｍ珈・Ｉｌｌｌｎ １００×１００ ２００ ｘ１００ ３００ Ｘ１００ ４００ Ｘ１００ ５００×１００ ６００ Ｘ１００ 龄觐，ｄ ２８ ２８ ２８ ２８ ２８ ２８ 混凝土收缩应变￡／１０Ｉ６ ｌ８１ １２５ １ｏ５ ９５ ８９ ８５ 如前所述的有限元标准模型为ｌＯＯｍｍ Ｘ ｌＯＯｍｍ× ｌＯＯｍｍ的立方体，现改变模型的截面，由于一般桥面 板中高度基本不存在调节余地，保持截面高度ｌＯＯｍｍ 日ｄ．毒Ｒ词州遐孵 不变，改变截面的长度，表１为不同截面按照《公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算的龄期 ２８ｄ的混凝土收缩应变，如表中所示截面长度越长，混 凝土收缩应变越小；但是如图７所示，随着截面长度的 增加，混凝土应变减小的幅度约来越小。图７中可以 看出，龄期３６５ｄ时混凝土收缩应变对构件的理论厚度 变化最为敏感，变化幅度较大，截面长度ｌＯＯｍｍ时的 收缩应变与截面长度１４００ｍｍ时的收缩应变相差 １６２ｔｘ￣；龄期３６５０ｄ时收缩应变对理论厚度变化最不 敏感，截面长度ｌＯＯｍｍ时的收缩应变与截面长度 １４００ｒａｍ时的收缩应变相仅差４９１，ｚｅ；龄期２８ｄ时收缩 应变对理论厚度的变化也较敏感。 好 刊 蜷 赡 截面长度／ｍｍ 图７不同截面混凝土收缩应变 上述已得出混凝土收缩应变随着截面长度的增 加而减小，然而随着截面长度的增加混凝土体积也随 之增加，体积增大必然导致混凝土收缩自应力的增 加。所以设计了尺寸分别为ｌＯＯｍｍ×ｌＯＯｍｍ× ｌＯＯｍｍ、２００ｍｍ×２００ｍｍ×ｌＯＯｍｍ、３００ｍｍ×３００ｍｍ× ｌＯＯｍｍ、４００ｍｍ×４００ｍｍ×ｌＯＯｍｍ、５００ｒａｍ×５００ｍｍ× ｌＯＯｍｍ、６００ｍｍ×６００ｒａｍ×ｌＯＯｍｍ、７００ｒａｍ×７００ｒａｍ× ｌＯＯｍｍ等７个有限元模型，对比７个模型中混凝土收 缩时混凝土的最大拉应力，获得较优截面形式。模型 中钢板厚度取６ｍｍ，无钢筋，其它条件与标准模型 相同。 截面长度／ｍｍ 图８不同模型混凝土收缩时混凝士最大应力 计算结果如图８所示，在龄期为２８ｄ、９０ｄ、１８０ｄ、 ３６５ｄ时，混凝土收缩造成的混凝土最大拉应力随着截 面长宽的增加呈现先减小后增大的趋势，而龄期为 ３６５０ｄ时，此时混凝土收缩量已经基本完成，混凝土最 大拉应力随着截面长宽的增大而增大，这也验证前文 所述的龄期３６５０ｄ时收缩应变对构件理论厚度变化不 敏感。在龄期为２８ｄ时，长宽为４００ｍｍ模型混凝土应 力较长宽为ｌＯＯｍｍ模型混凝土应力减小３４％；在龄期 为９０ｄ时，长宽为４００ｒａｍ模型混凝土应力较长宽为 ｌＯＯｍｍ模型混凝土应力减小２７％；在龄期为１８０ｄ时， 长宽为３００ｒａｍ模型混凝土应力较长宽为ｌＯＯｍｍ模型 混凝土应力减小２０％；在龄期为３６５ｄ时，长宽为 ２００ｍｍ模型混凝土应力较长宽为ｌＯＯｍｍ模型应力减 小１２％；而且截面长宽在３００ｒａｍ到６００ｒａｍ之间时混 凝土拉应力在龄期３６５ｄ前都处于一个较小的状态，所 以较优的混凝土截面形式对于早期混凝土收缩自应 力控制有一定的优化；对于龄期较长时，混凝土构件 截面形式对于混凝土收缩自应力影响较小。计算中 还发现截面ｌＯＯｍｍ×ｌＯＯｍｍ×ｌＯＯｍｍ的模型在龄期 ３６５ｄ之前混凝土拉应力都较大，所以本文中标准有限 元模型所得应力都较大。 ５结语 （１）钢板厚度的增加，导致混凝土约束增强，混 凝土收缩时混凝土拉应力增大；在钢板厚度较薄时， 钢板厚度对于混凝土拉应力影响明显，当钢板厚度增 加到ｌＯｍｍ以后，混凝土拉应力增加趋势减缓。因此， 在满足桥面板抗力设计与疲劳设计条件下应尽量使 用较薄钢板。 （２） 混凝土板中单向配筋和双向配筋，不恰当 的配筋率都会导致混凝土拉应力的提高；恰当双向配 筋比恰当单向配筋可以使混凝土拉应力降低更多；在 孙钰斐等：异型建筑结构抗震设计和案例综述 ６１ ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．０４．０２２ 异型建筑结构抗震设计和案例综述 孙钰斐，余绍锋 （同济大学建筑工程系。 上海２０００９２） 【摘要】综述异型建筑结构在国内外的工程应用情况，以及异型建筑抗震设计和理论分析方法，指出异型 建筑抗震研究的方向。 【关键词】 异型建筑；抗震设计；综述 【中图分类号】ＴＵ３５２．１ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】 １００１—６８６４（２０１５）４０—００６１—０３ 随着经济发展和建筑技术的１３益进步，近年来， 体的相应设计要求和规范，但此类结构应用１３趋广 异型建筑的发展非常快，日趋复杂的建筑体型和平面 泛，开始得到国内外专家学者的系统研究，包括结构 布置相继出现。 减震控制、在动力荷载下的结构分析、结构的抗震性 随着奥运会、世博会等大型活动在我国的举办， 能实验研究等。 很多设计新颖、造型奇特的建筑在我国拔地而起， 对于此类建筑，需要通过专门的理论分析和实验 这些建筑很多是由国外的设计师所设计的，但对 研究为结构设计提供参考依据或验证设计。现在的 于一些来自非地震区的国外设计师，相关抗震设计经 抗震分析方法主要有确定性分析方法、随机分析方法 验相对缺乏。所以，出现一些极不规则的超限建筑， 与基于性能的分析方法，其中确定性分析方法又分为 现行的设计规范未给出相关要求。因此，必须对这些 反应谱分析方法和时程分析方法。而国内外的规范 异型建筑的抗震设计给予高度的重视。 中普遍常用的抗震设计方法是反应谱分析方法，而抗 １ 国内外工程应用 震性能分析的时程分析法多用于一些建筑体型复杂 表ｉ列出了国内外异型建筑工程应用的实例。 的异型建筑。 ２理论研究现状 ２．１ 异型建筑结构抗震设计中随机分析法的运用 对于异型建筑结构，国家设计规范还没有给出具 在各种天然的外荷载的作用下，结构有可能进入 钢板较薄时，合适的配筋率可以对混凝土拉应力的降 ｂｏｎｄ ｉｒｂｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００６， 低起到更明显的作用，当钢板较厚时，配筋对降低混 （６２）：４６３—４７１． 凝土拉应力的作用基本为零，甚至增加混凝土拉应力。 ［５］李杰．正交异性钢一混凝土组合桥面板承载性能研究［Ｄ］．上 （３） 纯钢板一混凝土组合桥面板截面的理论厚 海：同济大学土木工程学院，２０１３． ［６］ＪＴＧＤ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 度对于早期混凝土收缩自应力的影响较大，在龄期超 范［ｓ］． 过十年以后，构件截面的理论厚度对于混凝土收缩自 ［７］ 占玉林，赵人达，毛学明，牟廷敏，范碧琨．钢一混凝土组合桥 应力影响较小。 面板试验研究与理论分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２ＯＯ６， （４） 其它形式的组合桥面板混凝土收缩影响规 （３）：３６０—３６５． 律还有待进一步研究。 ［８］Ｓｈｏｕｋｒｙ Ｓ Ｎ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｇ Ｗ，Ｍｃｂｒｉｄｅ Ｋ Ｃ ｅｔ ａ１．．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅ— ｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｐｉｉｒｃａｌｌｙ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｃｋｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＡＳＣＥ），２０１ｌ，１６（６）：７６８ 参考文献 —７７６． ［９］吴冲，曾明根，邵长宇，刘小方．大跨度组合箱梁斜拉桥混凝 ［１］吴冲．现代钢桥（上册）［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００６． 土收缩与徐变应力分析［Ｊ］．世界桥梁，２００４，Ｓ１：３７—４１． ［２］杨勇，曾苏生，等．钢板一混凝土组合桥面板静力与疲劳性能 ［１Ｏ］刘玉擎．组合结构桥梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５． 实验［Ｊ］．中国公路学报，２００９，２２（４）：７８—８３． ［１１］ 盂江，赵宝俊，刘建梅．混凝土收缩徐变效应预测模型及影响 ［３］邵旭东，赵人达，毛学明，等．正交异性钢板一薄层ＲＰＣ组合 因素［Ｊ］．长安大学学报（自然科学版），２０１３，３３（２）：５６—６２． 桥面板基本性能研究［Ｊ］．中国公路学报，２０ｌ２，２５（２）：４０ —４５． ［收稿日期］２０１５—０２—１５ ［４］Ｈｙｅｏｎｇ—Ｙｅｏｌ Ｋｉｍ，Ｙｏｕｎ—Ｊｕ Ｊｅｏｎｇ．Ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ［作者简介］步龙（１９８９一），男，陕西渭南人，硕士，从事组 ｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—－ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｃｋｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｆｏ． 合结构桥梁研究。
