考虑几何非线性及施工的钢管混凝土拱桥徐变学习体会

文献概况

本文发表于2013年《西南交通大学学报》第48卷第4期，由北京交通大学土木建筑工程学院武文杰等作者完成，依托国家自然科学基金项目的资助。研究基于混凝土徐变的B3模型，采用龄期调整有效模量法建立了结构徐变的有限元分析模型，并基于协同转动法考虑几何非线性，利用生死单元技术模拟分阶段施工过程，结合某大跨度中承式钢管混凝土拱桥分析了徐变效应。

徐变效应的工程重要性

混凝土徐变是混凝土在持续荷载作用下随时间增长的变形，是混凝土材料固有的时变特性。对于钢管混凝土拱桥这类大跨度结构，徐变效应可能导致拱肋变形增大、应力重分布、甚至影响结构的安全性和耐久性。

从钢管与混凝土的协同工作角度分析，徐变效应的复杂性在于：混凝土的徐变变形受到钢管的约束，而钢管的弹性变形又受到混凝土徐变的反向影响。这种双向耦合使得徐变分析远比单一材料结构的徐变分析复杂。

徐变效应的量化评估

分析方法与关键技术

B3徐变模型与龄期调整有效模量法

本文采用B3（Bažant's Basic B3）徐变模型描述混凝土的徐变行为。B3模型是一种基于线性粘弹性理论的徐变模型，能够较好地描述混凝土在不同龄期、不同加载持续时间下的徐变特性。

龄期调整有效模量法是一种将混凝土的时变特性转化为等效弹性问题的分析方法。该方法通过引入有效模量（考虑徐变和收缩的影响）来替代弹性模量，从而在弹性框架内分析徐变效应。该方法的优势在于计算效率高，适用于大跨度结构的徐变分析。

从钢管设计角度思考，B3模型中的徐变系数与混凝土的强度等级、养护条件、荷载持续时间等因素相关。在实际工程中，混凝土的徐变性能需要通过试验确定，不能简单套用理论值。建议对大跨度钢管混凝土拱桥的混凝土配合比进行专项徐变试验，获取准确的徐变参数。

几何非线性分析方法

大跨度钢管混凝土拱桥在荷载作用下会产生显著的几何非线性效应，主要表现为：

1. 大变形效应：拱肋的挠度与跨度之比达到1/100以上时，几何非线性不可忽略。
2. 应力-应变非线性：混凝土在压应力作用下表现出明显的非线性特征。
3. 接触非线性：钢管与混凝土之间的接触状态随变形变化。

协同转动法是处理几何非线性的常用方法之一。该方法将结构的运动分解为刚体运动和变形，通过引入协同转动来修正平衡方程，从而在保持计算效率的同时考虑几何非线性效应。

施工过程模拟

大跨度钢管混凝土拱桥的施工通常采用分阶段合龙的方式，施工过程对结构最终状态有显著影响。生死单元技术是模拟施工过程的有效方法，通过在不同施工阶段激活或 deactivate 单元来反映结构实际的形成过程。

从钢管制造和焊接的角度，施工过程模拟还涉及以下关键问题：

• 钢管节段焊接顺序：不同焊接顺序导致不同的残余应力分布，影响最终结构的应力状态。
• 焊接变形控制：钢管节段焊接产生的变形需要在施工阶段进行补偿，确保合龙精度。
• 临时支撑体系：施工阶段的临时支撑对结构的变形和应力有重要影响，需要在徐变分析中予以考虑。

徐变效应对钢管设计的启示

钢管应力变化分析

研究结果表明，考虑几何非线性和施工过程后，钢管应力的变化在10%以内。这一结论表明，钢管的弹性特性使其对徐变效应的敏感性相对较低。然而，10%的应力变化在精密设计中仍不可忽略，特别是在疲劳分析和长期服役性能评估中。

从钢管选材角度来看，徐变效应导致的应力变化可能使局部区域的应力接近或超过材料的屈服强度。在长期服役条件下，这种应力集中可能引发蠕变变形或疲劳裂纹萌生。因此，建议在大跨度钢管混凝土拱桥的钢管设计中预留适当的应力余量。

混凝土应力显著变化的原因

与钢管应力变化不同，混凝土应力的变化可达50%。这一显著差异的根本原因在于混凝土的时变特性——徐变和收缩。混凝土在持续荷载作用下发生徐变变形，导致应力松弛；同时，混凝土的收缩变形受到钢管约束，产生额外的约束应力。

从钢管与混凝土的界面行为角度分析，混凝土徐变导致的应力重分布会改变界面处的接触压力分布。在某些区域，接触压力可能减小甚至出现脱粘；而在另一些区域，接触压力可能增大，导致局部约束效应增强。这种不均匀的界面行为是钢管混凝土结构长期性能评估中的关键问题。

工程实践中的徐变控制措施

施工阶段控制

运营阶段监测

对于已建成的大跨度钢管混凝土拱桥，徐变效应的长期监测至关重要。建议建立以下监测体系：

1. 变形监测：在拱肋关键截面设置位移计和应变计，实时监测变形和应力变化。
2. 温度监测：监测钢管和混凝土的温度场分布，评估温度徐变效应。
3. 荷载监测：记录实际荷载水平，为徐变分析提供边界条件。
4. 界面状态监测：采用声发射或光纤传感技术监测钢管与混凝土界面的粘结状态。

学习心得与技术创新展望

本文的研究成果为大跨度钢管混凝土拱桥的徐变分析提供了系统的方法论。作为一名钢管与焊接技术专家，我认为该研究的最大价值在于揭示了徐变效应、几何非线性和施工过程三者之间的耦合关系，为工程设计的精细化提供了理论支撑。

从钢管制造和焊接行业的角度来看，该研究提示我们关注以下技术创新方向：

第一，钢管的长期服役性能研究。大跨度钢管混凝土拱桥的设计寿命通常为100年，钢管在长期荷载、温度变化和腐蚀环境下的性能退化需要深入研究。建议开展钢管的长期蠕变试验、疲劳寿命试验和腐蚀-疲劳耦合试验。

第二，焊接接头的长期性能评估。拱肋由多节钢管焊接组装而成，焊缝是结构的薄弱环节。徐变效应导致的应力重分布可能加速焊缝的疲劳损伤。建议开展焊缝在徐变应力作用下的疲劳寿命试验，建立考虑徐变效应的焊缝疲劳设计准则。

第三，智能监测与预警技术。随着传感器技术和数据分析技术的发展，建立钢管混凝土拱桥的智能监测系统成为可能。通过实时监测变形、应力、温度等参数，结合徐变预测模型，可以实现结构健康状态的实时评估和早期预警。

总体而言，该研究体现了结构工程从"经验设计"向"精细化设计"转变的趋势。对于钢管制造和焊接行业而言，这意味着更高的技术要求和更广阔的应用前景。未来，随着材料科学、计算力学和智能监测技术的融合发展，钢管混凝土拱桥的设计将更加精准、施工将更加高效、运营将更加安全。