趙永光

(唐山遠(yuǎn)大實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,河北唐山 063600)

0 引言

隨著公路橋梁 04新規(guī)范的頒布與實(shí)施,工程界對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高的要求。針對(duì)這種要求,使用的混凝土標(biāo)號(hào)越來越高,預(yù)應(yīng)力張拉噸位也越來越大。但在預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁過程中,仍然發(fā)現(xiàn)有不少裂縫的存在,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生了一定程度的影響,達(dá)不到新規(guī)范的要求。通過大量工程調(diào)研后發(fā)現(xiàn),先張梁底板以及跨中腹板關(guān)鍵截面處等部位,出現(xiàn)施工裂縫的幾率較大。

為了預(yù)防此類裂縫的產(chǎn)生,提高橋梁的質(zhì)量和耐久性,必須對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行研究并采取有效措施進(jìn)行預(yù)防和處理。而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般不考慮空心板梁的空間受力問題,對(duì)空心板梁的局部受力也不做過多分析,這在原來標(biāo)號(hào)比較低張拉噸位較小時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的計(jì)算是適用的,而針對(duì)現(xiàn)在工程中為了提高橋梁的耐久性普遍采用高標(biāo)號(hào)混凝土和較大張拉噸位預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁時(shí)就容易出現(xiàn)問題。因?yàn)殡S著張拉噸位的提高,整個(gè)空心板梁的局部受力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,致使局部拉應(yīng)力超過混凝土容許拉應(yīng)力而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,降低混凝土橋梁的耐久性。應(yīng)力測(cè)試是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋施工控制的有效手段,它能彌補(bǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算中參數(shù)選擇不合理或一些因素?zé)o法考慮的不足,使橋梁的施工和運(yùn)行更加安全。通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差分析,可以排除測(cè)試中一些因素的影響,較客觀地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀況。因此,在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁預(yù)制的開始階段,就采用試驗(yàn)的方法對(duì)其容易出現(xiàn)裂縫部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試與研究,并利用空間受力分析的方法對(duì)其受力進(jìn)行精確分析,并和測(cè)試值進(jìn)行對(duì)照,找出產(chǎn)生裂縫真正的原因,確定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)施工補(bǔ)救措施,為以后同類工程設(shè)計(jì)與施工提供參考,則具有較高的實(shí)用價(jià)值。

以河北某高速路上一 16 m先張空心板梁為試驗(yàn)梁段,在其關(guān)鍵截面布置了相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)試傳感器,對(duì)其澆筑混凝土以及整個(gè)放張過程進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析與討論。

1 工程概況

試驗(yàn)梁段采用河北某高速路上一 16m空心先張板梁,具體尺寸如圖1所示。

為了準(zhǔn)確分析研究先張空心板梁放張過程中關(guān)鍵部位受力變化情況,在梁體底板以及跨中腹板兩側(cè)布置應(yīng)變傳感器如圖2、圖3所示。為了觀測(cè)跨中截面受力情況,在跨中截面沿腹板高度方向?qū)ΨQ布置了4個(gè)傳感器,共計(jì)布置 13個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量[1-3]

圖1 16m先張板跨中斷面(單位:cm)

圖2 16m斜交先張板底板測(cè)點(diǎn)斷面位置(單位:mm)

混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要是為了了解橋梁應(yīng)力的實(shí)際分布,尋求最大應(yīng)力(拉、壓應(yīng)力)的位置、大小和方向。以便對(duì)橋梁梁體重量及其它荷載變化情況進(jìn)行判斷,以確保結(jié)構(gòu)施工安全,為橋梁的施工、運(yùn)營以及加固維修提供依據(jù)。通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果還可以檢驗(yàn)計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)取值的合理性。

如何觀測(cè)混凝土應(yīng)力,是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題。至今人們尚未研制出一種能夠直接觀測(cè)混凝土應(yīng)力的有效而實(shí)用的儀器。如今主要還是利用應(yīng)變計(jì)來觀測(cè)混凝土的應(yīng)變,再進(jìn)一步將應(yīng)變資料考慮材料彈性模量后算得該點(diǎn)混凝土應(yīng)力。目前用于混凝土應(yīng)變測(cè)試的傳感元件類型較多,如電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖傳感器等。其中,振弦式傳感元件由于測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)而在混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試中普遍采用。

圖3 16m梁跨中截面測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)在混凝土入模后立即進(jìn)行,即混凝土澆筑開始同時(shí)進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè),采集時(shí)間固定在早晨太陽出來之前,這段時(shí)間溫度最恒定,可以消除溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響,測(cè)試頻率是每天三次(早、中、晚各一次)以觀察一天溫度變化對(duì)應(yīng)變讀數(shù)的影響,一直觀測(cè)到預(yù)應(yīng)力放張完。

3 空心板梁的有限元分析

為了得到力筋放張后梁體的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài),現(xiàn)利用 ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,并對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的安全性,同時(shí)闡述 ANSYS在模擬預(yù)應(yīng)力混凝土斜梁中的應(yīng)用。

3.1 計(jì)算模型

采用通用有限元軟件 ANSYS按照實(shí)際尺寸建模,坐標(biāo)系的選取如圖4所示,x軸沿橫橋向,y軸正方向豎直向上,z軸沿橋梁軸向,0點(diǎn)與邊跨邊板的下部外側(cè)重合。按單跨斜簡(jiǎn)支梁剛性支承模式進(jìn)行建模分析,不計(jì)端橫梁的變形及支座變形。混凝土采用 solid95單元模擬,預(yù)應(yīng)力筋采用 link8單元模擬。通過對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加溫度來模擬張拉應(yīng)力。模型總長 16.0 m。單元總數(shù) 21 308個(gè),其中混凝土單元 20 558個(gè),預(yù)應(yīng)力筋單元 750個(gè)。工況為放張后。圖4為劃分單元后的有限元模型圖。預(yù)應(yīng)力鋼筋按下述方法處理:

(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理。采用節(jié)點(diǎn)耦合法模擬預(yù)應(yīng)力筋,即將預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土分別建模并劃分網(wǎng)格,然后將預(yù)應(yīng)力筋圖4劃分單元后的有限元模型的節(jié)點(diǎn)和離它最近的混凝土的節(jié)點(diǎn)在垂直于預(yù)應(yīng)力筋的兩個(gè)方向上進(jìn)行位移耦合。采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力,根據(jù)預(yù)應(yīng)力和材料熱膨脹系數(shù)反算張拉完成狀態(tài)預(yù)應(yīng)力筋需施加溫度值的大小,給鋼筋施加等效溫度 Δt,Δt=F/AsαEs。其中,F表示扣除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力的大小;As和 Es分別為鋼筋的截面積和彈性模量;α為鋼筋的線膨脹系數(shù)。

(2)鋼筋預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算。考慮了先張斜梁傳力錨固時(shí)的鋼筋預(yù)應(yīng)力損失,包括錨具變形和鋼筋回縮所引起的預(yù)應(yīng)力損失及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛所引起的預(yù)應(yīng)力損失,其值可通過文獻(xiàn)[4]中的公式計(jì)算得到。降溫法的溫度是按張拉控制應(yīng)力減去上述兩項(xiàng)損失后的應(yīng)力值反算的,因存在混凝土的彈性壓縮,計(jì)算完成后的力筋應(yīng)力不等于張拉控制應(yīng)力,故將溫度 Δt增大一定的比例。又因?yàn)榱畹拈L短不一,Δt增大的比例也不相同,最長力筋的 Δt增大了 1%,最短的 Δt增大了 3%,然后再進(jìn)行降溫計(jì)算。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)分析

放張后的應(yīng)力云圖如圖5所示,不同位置斷面的應(yīng)力云圖如圖6～圖10所示,先張板梁實(shí)測(cè)值與ANSYS計(jì)算值的對(duì)比如表1所示,表1中負(fù)值表示受壓。

圖4 劃分單元后的有限元模型

圖5 放張后的應(yīng)力云圖(z方向)

圖6 位置 1所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖7 位置 2所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖8 跨中斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖9 位置 4所在斷面的應(yīng)力云圖(x方向)

表1 16m先張板試驗(yàn)值與 ANSYS計(jì)算值的對(duì)比

由圖5～圖10和表1可知,沿梁體縱向的混凝土基本處于受壓狀態(tài),梁頂和梁底均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,可以判斷梁體處于彈性工作狀態(tài),安全儲(chǔ)備較大。除 10、12號(hào)測(cè)點(diǎn)外,其余測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值偏差不大。在 ANSYS計(jì)算中,曾沿梁體縱向距傳感器理論位置取值,發(fā)現(xiàn)其值與表中值相差不大,但對(duì)角度變化明顯,同時(shí)考慮到傳感器放置時(shí)的誤差,故實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差是由傳感器的放置方向引起的。

3.3 16m先張空心板梁測(cè)試數(shù)據(jù)分析

先張板應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)匯總后見表2,板中截面實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線如圖11,曲線有一個(gè)明顯的陡坡,表示預(yù)應(yīng)力放張這個(gè)重要的工況。

圖10 位置 9所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖11 16m先張板之中截面縱向應(yīng)力曲線

表2 16m先張板試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力匯總 MPa

由表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和圖11可以看出,16m先張梁在放張過程中橫向有較可觀的拉應(yīng)力,很好地解釋了先張空心板梁底板容易出現(xiàn)縱向裂縫的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)16 m先張梁在放張過程中,底板橫向傳感器讀數(shù)確實(shí)是受拉,并且利用實(shí)驗(yàn)室所測(cè)彈性模量計(jì)算的拉應(yīng)力值還比較大,很好地解釋了先張梁底板容易出現(xiàn)縱向裂縫的問題。

(2)找到了先張梁放張過程中關(guān)鍵截面的空間應(yīng)力變化規(guī)律,可為該類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

(3)建議設(shè)計(jì)該型式先張梁時(shí),增加底板的橫向鋼筋數(shù)量或增加鋼筋直徑,并增加底板保護(hù)層的厚度,建議設(shè)計(jì)單位增加橫向拉應(yīng)力驗(yàn)算環(huán)節(jié)來防止先張梁底板開裂問題。

[1]張開銀,鄒曉軍.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測(cè)試技術(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2003,27(2):174-177.

[2]張世輝,李亞東.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段應(yīng)力測(cè)試分析[J].四川建筑,2007,27(4):161-162.

[3]向木生,田曉彬.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測(cè)試技術(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2001,25(3):266-269.

[4]交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D 62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.