鄭國華

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

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預應力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫成因及受力特性分析

鄭國華

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：文章結合某預應力混凝土連續(xù)梁橋加固改造設計，運用大型有限元軟件Ansys、橋梁博士3.1，對該橋縱向整體結構以及局部結構進行計算分析，從理論上分析該橋底板以及腹板開裂的原因，從而為同類型橋梁設計提供參考依據(jù)。

關鍵詞：預應力混凝土連續(xù)梁橋；裂縫分析；結構整體計算分析；橫向計算分析

1項目概況

某淮河大橋主橋為三跨斜腹板變截面連續(xù)梁橋,跨徑布置為65 m+98 m+65 m,主梁頂板全寬為20.5 m,屬于單箱單室結構。2015年2月對該橋進行特殊監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)主梁跨中區(qū)域底板以及腹板均存在不同程度的開裂現(xiàn)象。主梁標準橫斷面以及裂縫分布示意,如圖1、圖2所示。

圖1　主梁原設計標準橫斷面

圖2　主梁跨中區(qū)域底板及腹板開裂分布

由圖2可見,主橋中跨合龍段右側12#塊以及左側11#塊底板出現(xiàn)橫向裂縫,同時腹板在跨中右側9#～左側8#均出現(xiàn)大量斜向裂縫,但支點附近腹板卻未出現(xiàn)斜向裂縫。

2裂縫成因分析

2.1主應力計算公式

由文獻[1-2]可知主應力計算公式為

對于主梁跨中截面腹板處,σcy為腹板豎向壓應力,主要靠豎向精軋螺紋鋼預拉力提供,τ剪力值在跨中基本為0,因此,主梁跨中區(qū)域腹板處主應力計算值主要與豎向壓應力σcy和縱向受力σcx有關;對于主梁底板處主應力,主要與縱橋向σcx和橫橋向應力σcy有關,即此時σcy為主梁底板橫橋向應力。

2.2主梁縱橋向受力分析

根據(jù)主梁縱向預應力損失試算,全橋縱向預應力損失為17.5%左右,豎向預應力損失約為40%,在此基礎上,對全橋進行整體計算,則在組合Ⅱ作用下,主梁上、下緣最小正應力包絡圖如圖3所示,主梁主拉應力包絡圖如圖4所示。

圖3　主梁上、下緣最小正應力包絡圖

圖4　主梁主拉應力包絡圖

由圖3、圖4可見,主梁實際受力狀態(tài)為跨中區(qū)域部分區(qū)域完全處于受拉狀態(tài),與主梁實際病害現(xiàn)象基本相符,且此時主梁主拉應力在跨中區(qū)域要明顯大于支點和L/4區(qū)域[3]。如對全橋施加體外預應力,調整主梁跨中區(qū)域最小正應力至受壓狀態(tài),如圖5所示,則此時主梁主拉應力如圖6所示。

圖5　短期效應組合下主梁上下緣最小正應力

圖6　短期效應組合下主梁主拉應力包絡圖

由圖5、圖6可見,此時跨中區(qū)域主拉應力大幅度降低,主梁跨中區(qū)域主應力的大小主要與主梁縱向受力σx狀態(tài)有關,且為主導因素,豎向預應力σy的大小僅僅為次要因素。

2.3主梁橫向底板局部受力分析

對于底板,主梁主應力計算應與縱向應力σx以及橫向應力σy有關,且σx仍起主要作用,橫向預應力所起權重要大于腹板處對應豎向預壓應力所起權重,即當?shù)装甯拱彘g距過大,底板橫向拉應力σy較大時,底板主拉應力一定也較大。該淮河橋為單箱單室結構,底板凈寬最大達到9.075 m,主梁橫向應力最大達到3 MPa,此時主梁底板主應力明顯較大,特別是與腹板交界處,這與該橋底板在與腹板交界處出現(xiàn)大量斜向裂縫相符。

3橫向受力分析

3.1剪力滯效應分析

剪力滯在結構工程中是一個普遍存在的力學現(xiàn)象,在某一局部范圍內,剪力所能起的作用有限,所以正應力分布不均勻,把這種正應力分布不均勻的現(xiàn)象稱作剪力滯后[4-5]。剪力滯后效應在T型、工型和閉合薄壁結構中表現(xiàn)得較為典型。當剪力滯系數(shù)λ>1時是正的剪力滯;當λ<1時是負的剪力滯[6-7],如圖7所示。

該橋原設計箱梁頂板及底板剪力滯一般在1.3左右,如改為單箱雙室結構,箱梁腹板最大凈距由9.07 m降為6.2 m左右,則箱梁頂?shù)装寮袅禂?shù)大幅降低,如圖8、圖9所示。頂、底板剪力滯系數(shù)最大分別降為1.07和1.03,因此,合理設計箱梁斷面時,不但要考慮抗剪因素,同時頂?shù)装寮袅禂?shù)也應作為控制因素之一。

圖7　箱梁剪力滯效應

圖8　箱梁頂板剪力滯系數(shù)

圖9　箱梁底板剪力滯系數(shù)

3.2橫向受力近似有限元模擬分析

如圖10所示,主梁橫橋向計算通常采用橫向框架模型和實體模型進行結構計算[8-9],根據(jù)該橋主梁2種模型自重荷載作用下計算結果對比,L/4處主梁框架模型計算結果為實體計算模型的0.91倍左右(除實體模型局部點外),吻合性較好,但對于跨中截面,框架模型計算結果偏小,吻合性較差。

圖10　箱梁頂板不同計算模型對比圖

4結論

(1) 梁橋設計時,豎向預應力作用最大可按照60%考慮,同時主梁在跨中區(qū)域可忽略豎向預應力的作用。

(2) 對于服役多年梁橋,主梁裂縫檢測時應特別注意跨中以及L/4區(qū)域主梁裂縫的發(fā)展,當斷面腹板總厚度占總厚度比例較小時,即箱梁腹板凈距較大時,跨中區(qū)域出現(xiàn)腹板斜裂縫的幾率要比支點大,且該處也是最易忽略之處。

(3) 跨中區(qū)域主梁主拉應力超限時,應首先考慮調整主梁縱橋向受力狀態(tài),方可改變該區(qū)域的主應力受力狀態(tài),僅僅通過施加豎向預壓力無法達到減小主應力目的,且效果甚微。

(4) 主梁結構設計時,抗剪、抗彎一般作為主梁設計的主要控制因素,同時頂、底板剪力滯系數(shù)也應作為控制因素之一。一般控制剪力滯系數(shù)在1.1以內,基本合理,即此時頂、底板受力基本均勻。

(5) 主梁橫橋向計算如采用框架結構模型時,計算結果在跨中區(qū)域與實體模型吻合性較差,但在L/4區(qū)域吻合性較好,基本為實體模型對應計算結果的0.91倍左右[8-10]。

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收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-06

作者簡介：鄭國華(1975-)，男，安徽東至人，安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司高級工程師．

中圖分類號：U441.5

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0175-03