高彤陽

(福州沈海復(fù)線高速公路有限公司,福建福州 350000)

連續(xù)梁橋底板橫向裂縫參數(shù)對其結(jié)構(gòu)影響研究

高彤陽

(福州沈海復(fù)線高速公路有限公司,福建福州 350000)

連續(xù)梁橋的裂縫問題越來越嚴重,它影響了橋梁的耐久性和結(jié)構(gòu)承載力。為了掌握裂縫參數(shù)對箱梁結(jié)構(gòu)的影響,進而為既有橋梁安全性能的評定和加固提供依據(jù),對此,以某連續(xù)梁橋為例,以箱梁底板裂縫開裂寬度、開裂深度為參數(shù),運用Ansys模型分析以上裂縫參數(shù)變化對梁體應(yīng)力和撓度的影響。

連續(xù)梁橋;底板橫向裂縫;裂縫參數(shù);ANSYS模型

0 引言

中國橋梁的快速發(fā)展,預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)梁因良好的抗彎性能、抗扭性能等優(yōu)點廣泛用于公路或城市橋梁中。但實際應(yīng)用中許多連續(xù)箱梁橋都有不同程度的開裂。箱梁開裂會使箱梁結(jié)構(gòu)有效截面的面積減小、承載力減小、可靠性降低,嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全及使用壽命。目前,連續(xù)箱梁橋開裂后的裂縫參數(shù)的變化對箱梁結(jié)構(gòu)影響的研究較少,無法定量地對連續(xù)箱梁橋開裂后的承載力和耐久性作出有效評價,這也使得運營管理與養(yǎng)護部門在對開裂后的預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)梁橋性能評定和維修加固時缺乏相應(yīng)的依據(jù)。所以有必要對開裂連續(xù)箱梁橋進行裂縫參數(shù)對其結(jié)構(gòu)的影響分析。

本文針對某座現(xiàn)役已開裂的連續(xù)箱梁橋為例,運用有限元分析軟件ansys進行模型分析,研究底板縱向裂縫的裂縫參數(shù)變化對梁體結(jié)構(gòu)的影響,對了解橋梁的使用情況、評定橋梁的可靠度與耐久性有一定的理論價值,為后續(xù)的橋梁檢測與維修加固具有一定的指導(dǎo)價值。

1 連續(xù)梁橋裂縫種類及成因分析

連續(xù)箱梁橋由于設(shè)計考慮不全,施工不當或超載車輛及自身的養(yǎng)護加固不夠等原因,導(dǎo)致梁體存在大量病害。這些病害突出表現(xiàn)為梁體不同部位開裂的現(xiàn)象,現(xiàn)匯總?cè)缦?

(1)頂?shù)装辶芽p:

底板裂縫一般會出現(xiàn)在跨中的正彎矩區(qū)內(nèi),頂板裂縫常出現(xiàn)在墩頂?shù)呢搹澗貐^(qū)內(nèi),詳見圖1所示。這些裂縫通常是橫橋向的,它是因為作用在箱梁截面的彎矩較大,使作用在箱梁截面受拉邊緣的拉應(yīng)力也很大,超過了混凝土的極限拉應(yīng)力值,進而產(chǎn)生裂縫。頂?shù)装辶芽p首先產(chǎn)生在梁高的邊緣,然后順著梁高方向發(fā)展,跨中正彎矩區(qū)正裂縫沿著腹板向上延伸,墩頂負彎矩區(qū)正裂縫沿著腹板向下延伸。隨著荷載的增大,裂縫寬度逐漸增大,長度延伸,縫數(shù)增多,裂縫區(qū)域逐漸向兩側(cè)發(fā)展［1］。

圖1 頂板正裂縫、底板正裂縫示意圖

正裂縫的出現(xiàn)和開展減小了箱梁截面的受壓區(qū)高度,降低其抗彎剛度,增大了橋梁的撓度,嚴重時將降低橋梁的承載能力,使其服務(wù)功能下降,甚至還會危害到橋梁的安全性。

(2)腹板斜裂縫:

腹板斜裂縫出現(xiàn)在最大剪應(yīng)力區(qū)域,詳見圖2所示。支座附近梁段同時受到剪切作用、彎曲作用,在剪切作用與彎曲作用相互交疊作用下使混凝土的主拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉極限強度值,進而產(chǎn)生了裂縫。腹板斜裂縫一般集中在跨到跨之間,且距離支座跨附近最多,裂縫開裂寬度一般在0.1 mm至0.5 mm之間。

圖2 腹板斜裂縫示意圖

(3)頂板縱向裂縫。這類裂縫一般出現(xiàn)在頂板與腹板的交接處,或箱梁翼緣間的濕接縫處,間斷或不間斷分布,局部混凝土?xí)兴榱熏F(xiàn)象,橋面防水層破壞,梁體的鉸縫滲漏,橫橋向的連接失效,導(dǎo)致單梁受力。

(4)腹板縱向裂縫。這類裂縫主要發(fā)生在靠近小箱梁底板20 cm處腹板的位置,分布在跨徑的1/4～3/4范圍,沿預(yù)應(yīng)力鋼束方向?qū)?yīng)的表面發(fā)生,裂縫開展處伴有混凝土離析。

(5)底板縱向裂縫。這類裂縫多沿預(yù)應(yīng)力波紋管處間斷性開裂。

(6)此外,還存在許多不規(guī)則的裂縫,如梁體跨中處在腹板,頂板及底板上的環(huán)向裂縫,箱梁現(xiàn)澆段間的豎向裂縫,腹板及底板處放射狀裂縫等。

2 底板橫向裂縫參數(shù)影響分析

開裂后預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)梁橋的承載力評估是在確定典型裂縫特征參數(shù)影響分析的基礎(chǔ)上完成的。典型裂縫(底板橫向裂縫)對開裂預(yù)應(yīng)力箱梁的受力影響,隨后做出參數(shù)敏感性分析,確定出對開裂預(yù)應(yīng)力箱梁影響大的參數(shù)、影響較小的參數(shù),以及影響可以忽略的參數(shù),以便在實際建模分析過程中著重考慮主要影響因素,忽略次要影響因素(影響較小或可以忽略的參數(shù)),進而對開裂預(yù)應(yīng)力箱梁進行有理、有據(jù)、有效的分析。

2.1 計算模型

某橋為3跨40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力等截面箱梁橋,箱梁采用C40 混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼束為直徑15.24 mm的鋼絞線,其設(shè)計強度為1 860 MPa,彈性模量Ey =1.95×105MPa。設(shè)計安全等級為一級,汽車荷載等級為公路-I級,環(huán)境類別為I類。其力學(xué)性能滿足《預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能》(GB/T5224-1995)要求。

該橋的箱梁尺寸見圖3～圖6所示。由于支點截面與跨中截面差別不大,所以此橋視為預(yù)應(yīng)力等截面箱梁橋。

圖3 平面圖

圖4 立面圖

圖5 支點截面圖

圖6 跨中截面圖

連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)Ansys模型示意如圖7、圖8所示。

圖7 全橋結(jié)構(gòu)Ansys離散圖

圖8 箱梁局部Ansys模型示意圖

以第一跨開裂為例進行底板橫向裂縫參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響分析,采用無量綱的參數(shù)。(1)第一跨底板橫向裂縫寬度的影響,分別調(diào)整第一跨跨中底板橫向裂縫寬度,觀察討論計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度,以及應(yīng)力的影響。(2)第一跨底板橫向裂縫深度的影響,分別調(diào)整第一跨跨中底板橫向裂縫深度,觀察討論并計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度以及應(yīng)力的影響。(3)第一跨底板橫向裂縫條數(shù)的影響,分別調(diào)整第一跨跨中底板橫向裂縫條數(shù),觀察討論并計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度,以及應(yīng)力的影響。

注1:在以下計算分析中,規(guī)定撓度以向下為負,向上為正;規(guī)定應(yīng)力以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負。

注2:以下計算結(jié)果中,增大值為負的話,表示實際是減小值,增加百分比為負的話,表示實際為減小百分比。

2.2 底板橫向裂縫寬度的影響

根據(jù)分析工況,假使箱梁跨中2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了五條底板橫向裂縫,統(tǒng)計其裂縫的開裂寬度,即裂縫的總寬度:,選擇五個變化量,Δcr分別選擇為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm和0.25 mm。

依據(jù)截面分析法,以及有限元方法分析計算連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)變形和控制截面混凝土應(yīng)力,其計算結(jié)果如表1～表3所列。(注:表內(nèi)跨中截面下緣面下緣混凝土的拉應(yīng)力是名義拉應(yīng)力,并不是真實的應(yīng)力值。)

表1 各跨撓度隨裂縫寬度的變化一覽表

表2 各截面上緣應(yīng)力隨裂縫寬度的變化一覽表

表3 各截面下緣應(yīng)力隨裂縫寬度的變化一覽表

由以上對比分析的結(jié)果,可得到以下結(jié)論:

(1)各跨跨中撓度隨著第一跨底板橫向裂縫開裂寬度的增大而增大;混凝土上緣壓應(yīng)力隨著第一跨底板橫向裂縫開裂寬度的增大而增大。

(2)當?shù)装鍣M向裂縫從0.05 mm變到0.25 mm,各跨撓度變化增大百分比分別為40.4%,39.4% 10.8%;上緣壓應(yīng)力分別為60.2%、-22.7%、-8.8%、2.9%、1.6%;下緣應(yīng)力分別為 400.5%、17.4%、15.5%、-9.4%、-7.1%。

2.3 底板橫向裂縫開裂高度的影響

根據(jù)Ansys模型,分別計算得出箱梁結(jié)構(gòu)控制截面各跨跨中撓度、跨中截面上下緣應(yīng)力,其結(jié)果見表4～表6所列。

表4 各跨撓度隨裂縫深度的變化一覽表

表5 各截面上緣應(yīng)力隨裂縫深度的變化一覽表

表6 各截面下緣應(yīng)力隨裂縫深度的變化一覽表

由以上對比分析的結(jié)果,可得到以下結(jié)論:

(1)底板橫向裂縫所在跨(第一跨)和相鄰跨(第二跨)的撓度受其開裂深度的變化對裂縫所在跨和相鄰跨的撓度有點影響,而對其他各跨(第三跨)影響甚微。

(2)底板橫向裂縫所在跨(第一跨)和相鄰跨(第二跨)的應(yīng)力受其開裂深度的變化對裂縫所在跨和相鄰跨的應(yīng)力稍有影響,對其他各跨(第三跨)影響甚微,可忽略不計。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼束的有效預(yù)應(yīng)力不受底板橫向裂縫開裂深度的變化的影響,對預(yù)應(yīng)力鋼束的有效預(yù)應(yīng)力基本無影響。

3 結(jié)論

本文對連續(xù)箱梁的開裂結(jié)構(gòu)分別進行了裂縫參數(shù)影響分析,選取底板橫向裂縫處的裂縫寬度和裂縫深度為裂縫參數(shù)。通過建立Ansys有限元模型,以及對數(shù)據(jù)的整理和分析,可以得出以下的幾點結(jié)論:

(1)隨著底板橫向裂縫開裂寬度的增加,連續(xù)梁各跨的撓度和截面應(yīng)力均有較大變化,其中底板橫向裂縫所在跨的變化幅度最大,其余各跨變化幅度較大,距離底板橫向裂縫越遠,變化幅度越小。

(2)隨著底板橫向裂縫開裂深度的增加,連續(xù)梁各跨的撓度和截面應(yīng)力均有稍微變化,其中斜裂縫所在跨和相鄰跨的變化幅度大,其余各跨變化幅度很小,距離底板橫向裂縫越遠,變化幅度越小。

(3)通過參數(shù)敏感性分析,可以得到底板橫板橫向裂縫開裂寬度對開裂結(jié)構(gòu)的受力性能影響最大,是最敏感的參數(shù),底板橫板橫向裂縫開裂深度對開裂結(jié)構(gòu)的受力性能影響較小,是不敏感參數(shù)。

［1］ 江亞雄，蔡丁錫，鄔曉光.底板縱向裂縫寬度對PC等截面箱梁剛度影響分析［J］.價值工程，2014，(3).

U441

A

1009-7716(2015)03-0152-03

2014-12-02

高彤陽(1982-),男,福建人,工程師,研究方向:橋梁、隧道工程。