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        重力式橋臺(tái)開裂原因的有限元分析與加固措施*

        2012-10-12 10:47:28
        關(guān)鍵詞:前墻側(cè)墻橋臺(tái)

        田 偉

        (吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,長春 130118)

        0 引言

        重力式橋臺(tái)是橋梁下部結(jié)構(gòu)中常見的一種結(jié)構(gòu)型式,利用其自身重量來平衡外力保持穩(wěn)定.隨著高等級(jí)公路的建設(shè),相繼出現(xiàn)了許多總體尺寸大的重力式橋臺(tái)[1].

        目前,高速公路上中、小橋臺(tái)普遍存在混凝土開裂問題.從裂縫形狀看,大部分是豎直方向,也有些是斜向、水平向;裂縫有1條或多條,有的多達(dá)十幾條.豎直裂縫大多位于橋臺(tái)臺(tái)身的中下部,也有部分裂縫沿臺(tái)高豎向貫通,裂縫寬度一般在0.1 mm~0.6 mm,普遍存在于寬度較大的橋臺(tái)中[2].

        從經(jīng)濟(jì)上考慮,公路工程中一般只使用3 m~6 m高的重力式橋臺(tái).但是,在砂石料供應(yīng)方便的地區(qū),經(jīng)過受力計(jì)算和可靠度并滿足要求后,也可以采用15 m~20 m高的重力式橋臺(tái)[3].

        1 橋臺(tái)破壞原因初探

        1.1 工程概況

        某公鐵立交橋全長52.86 m,設(shè)計(jì)孔跨2 m×16 m,斜交角約為60度,橋梁全寬為凈-14 m+2×2 m人行道,主梁結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁,下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ),片石混凝土重力式橋臺(tái),鋼筋混凝土柱式橋墩.下部橋臺(tái)結(jié)構(gòu)中,橋臺(tái)為斜交,高均為10 m,臺(tái)帽斷面尺寸為90 cm×30 cm.前墻斜長2 372 cm,頂厚130 cm,底厚454 cm,側(cè)墻不等長,其中鈍角處外側(cè)長500 cm,銳角處外側(cè)長1 582 cm.臺(tái)身及基礎(chǔ)采用15號(hào)片石混凝土(設(shè)計(jì)片石標(biāo)號(hào)不低于25號(hào),摻量不多于混凝土結(jié)構(gòu)體積25%).

        1.2 破壞形態(tài)

        該橋竣工后,次年投入使用,6年后發(fā)現(xiàn)兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)身及側(cè)墻出現(xiàn)不同程度裂縫,尤以一側(cè)橋臺(tái)臺(tái)身前墻豎向裂縫為重,豎向貫通且裂縫寬度較大,上寬下窄.裂縫寬度在1 cm左右,裂縫沿墻高有局部產(chǎn)生破損.上緣距長側(cè)墻外側(cè)4.52 m,下緣距長側(cè)墻外側(cè)5.57 m.側(cè)墻存在一條斜向裂縫,寬度在1 mm左右.上緣距前墻外側(cè)2.05 m,下緣距前墻外側(cè)10.05 m交與邊坡上.

        1.3 破壞原因初探

        《規(guī)范》[公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ022-85)[s]]規(guī)定,當(dāng)U型橋臺(tái)(重力式橋臺(tái))兩側(cè)墻寬度不小于統(tǒng)一水平截面前墻的0.4倍時(shí),可按整體截面驗(yàn)算截面強(qiáng)度,當(dāng)橋臺(tái)截面滿足該條規(guī)定時(shí),臺(tái)內(nèi)填土所產(chǎn)生的土壓力對(duì)橋臺(tái)影響不大,可以按整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算其抗力,抗滑和抗傾穩(wěn)定性,視臺(tái)內(nèi)填土為橋臺(tái)自重的一部分,勿需驗(yàn)算由此產(chǎn)生的土壓力對(duì)側(cè)墻和前墻的影響.

        對(duì)于此橋臺(tái),取任意截面進(jìn)行截面尺寸驗(yàn)算,以臺(tái)身底面為例,側(cè)墻的寬度為3.84 m,前墻截面寬度為21.64 m,3.84 m<21.64 m×0.4=8.656 m,顯然該橋臺(tái)的截面尺寸偏小,已不能按整體截面驗(yàn)算截面強(qiáng)度.而且隨著填土高度的增加,引起的土壓力會(huì)很大,因此應(yīng)計(jì)入該土壓力對(duì)整個(gè)橋臺(tái)受力的影響.

        由于受到前墻與側(cè)墻兩個(gè)方向的水平壓力之合力,其交匯處為銳角時(shí)應(yīng)力增大,當(dāng)橋臺(tái)截面尺寸偏小,抵抗能力不足時(shí),極易在交匯處開裂,這與該橋臺(tái)開裂位置是一致的.

        2 利用有限元軟件進(jìn)行原因分析

        有限元法作為一種非常實(shí)用有效的數(shù)值計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械、土木工程等工程領(lǐng)域[4].本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)該橋臺(tái)進(jìn)行了模擬分析.

        2.1 建模及前處理

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,以米為單位建立橋臺(tái)幾何模型圖.參數(shù)設(shè)定:臺(tái)身以及基礎(chǔ)采用15號(hào)片石混凝土,利用SOLID 65單元(ANSYS里專門面向混凝土,巖土材料的單元),其密度為2 300 kg/m3,彈性模量E=4.2e109,泊松比為0.167.

        臺(tái)身有限元網(wǎng)格劃分按映射網(wǎng)格劃分,便于在臺(tái)身上施加恒載以及其他載荷;由于基礎(chǔ)形狀復(fù)雜,有限元網(wǎng)格按自由網(wǎng)格劃分,臺(tái)身與基礎(chǔ)之間交界面的節(jié)點(diǎn)完全分離,不存在重合關(guān)系,利用臨近區(qū)兩個(gè)界面之間自由度約束方程,就能夠達(dá)到相互耦合的效果(如圖1所示).

        2.2 ANSYS計(jì)算結(jié)果

        考慮到初期土體未壓實(shí),對(duì)基礎(chǔ)底面施加全約束,得第一主應(yīng)力,第三主應(yīng)力云圖,如圖2、圖3所示.最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和長側(cè)墻交匯處,其值為0.71 MPa,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在長側(cè)墻的角隅處,為2.47 MPa.

        圖1 模型及網(wǎng)格劃分

        圖2 第一主應(yīng)力云圖(主拉應(yīng)力)

        圖3 第三主應(yīng)力云圖(主壓應(yīng)力)

        3 橋臺(tái)開裂原因的確定

        橋臺(tái)實(shí)際施工及使用過程中,一般重力式橋臺(tái),在臺(tái)內(nèi)填土和行車荷載的作用下,前墻和側(cè)墻交匯處容易出現(xiàn)裂縫.對(duì)于此橋臺(tái),其開裂原因如下:

        (1)橋臺(tái)不滿足《規(guī)范》關(guān)于橋臺(tái)截面尺寸的規(guī)定,臺(tái)后填土隨著高度的增加會(huì)產(chǎn)生很大的土壓力,原設(shè)計(jì)明確指出橋臺(tái)后為加筋土擋墻路基設(shè)計(jì),而經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn),臺(tái)后為一般填土.因此,不能有效地減少臺(tái)后填土所引起的土壓力,橋臺(tái)將承受較大的土壓力作用;

        (2)橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)和一般橋臺(tái)有所差別,結(jié)構(gòu)的前墻和側(cè)墻并非相互垂直,前墻和右側(cè)墻交角60°,前墻和左側(cè)墻交角120°,在考慮土壓力作用的情況下,前墻和右側(cè)墻的交匯處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;

        (3)根據(jù)有限元分析可見,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在前墻和右側(cè)墻交匯臺(tái)身高度的2/3處,其值接近0.71 MPa,超過了臺(tái)身材料0.60 MPa的抗彎拉強(qiáng)度,因此在前墻和右側(cè)墻的交匯處容易出現(xiàn)裂縫;

        (4)裂縫出現(xiàn)后首先會(huì)向截面寬度小的臺(tái)身上部擴(kuò)展,當(dāng)上部裂縫前后貫通后,臺(tái)身仍承受較大的臺(tái)后土壓力,對(duì)裂縫有張拉趨勢(shì),繼而裂縫延前墻外側(cè)縱向繼續(xù)擴(kuò)展,直至上下貫穿.

        4 加固措施

        針對(duì)橋臺(tái)開裂的原因,在保證橋梁正常使用的前提下,依據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)制定的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,本文提出采用碳纖維(CFRP)加固補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行加固,即沿橋臺(tái)前墻粘貼兩條碳纖維布.

        4.1 采用碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)法的原因

        目前,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的傳統(tǒng)方法主要有:粘鋼法、噴射混凝土和體外預(yù)應(yīng)力法.以上方法均各有缺點(diǎn),如自重大,易腐蝕等.碳纖維加固作為一種新興技術(shù),國外于20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用.我國從90年代后期著手研究,截至目前,該技術(shù)已經(jīng)比較成熟,隨著纖維造價(jià)的不斷降低,碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)成為加固舊結(jié)構(gòu)的主要手段.

        碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn).

        4.2 結(jié)果對(duì)比及可行性分析

        本文借助ANSYS軟件,對(duì)開裂橋臺(tái)進(jìn)行了模擬分析見圖4,然后對(duì)粘貼碳纖維布的橋臺(tái)進(jìn)行模擬分析見圖5,將二者裂縫部位部分節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見表1.

        圖4 橋臺(tái)開裂第一主應(yīng)力圖

        圖5 粘貼CFRP后橋臺(tái)第一主應(yīng)力圖

        從以上分析可以看出,粘貼CFRP后比開裂橋臺(tái)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力值最多減少50%以上,橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、整體性以及穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提高.

        表1 部分節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        5 結(jié)論

        本文針對(duì)斜交重力式橋臺(tái)的開裂進(jìn)行了構(gòu)造與有限元分析,提出應(yīng)根據(jù)橋臺(tái)實(shí)際充分考慮臺(tái)內(nèi)填土土壓力對(duì)橋臺(tái)的影響,并對(duì)一具體橋臺(tái)進(jìn)行了有限元分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際橋臺(tái)開裂吻合較好,說明在設(shè)計(jì)橋臺(tái)尤其是寬大橋臺(tái)時(shí),必須考慮臺(tái)內(nèi)填土對(duì)橋臺(tái)的不利影響,并提出采用碳纖維加固橋臺(tái)的方法.經(jīng)有限元分析,證明了該方法的有效性和實(shí)用性,為今后的舊橋臺(tái)加固提供了一種方法和借鑒.

        [1]周水興,胡 娟,張 敏.重力式橋臺(tái)開裂的機(jī)理分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(4):9-12.

        [2]江明生.高速公路上中小橋臺(tái)開裂成因及防治[J].公路與汽運(yùn),2005(3):124-125.

        [3]康志民.淺談重力式高臺(tái)的施工階段驗(yàn)算和開裂病害防治措施[J].福建建設(shè)科技,2005(5):32-33.

        [4]王元漢,李麗娟,李銀平.有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001:25-37.

        [5]碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì),2000.

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