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        某斜拉橋主塔下部墩柱裂縫分析及處治建議

        2020-09-23 02:52:32焦恒見羅文林糜懷谷
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年28期
        關(guān)鍵詞:主拉主墩實心

        焦恒見 羅文林 糜懷谷

        (1、江蘇和則合建設(shè)工程有限公司,江蘇 無錫214000 2、南京博瑞吉工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京210000 3、蘇州繞城高速公路有限公司,江蘇 蘇州215000)

        1 概況

        某斜拉橋全寬36.5m,跨布置為(70+105)m,上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆單箱三室箱梁,下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主塔橋下主墩出現(xiàn)多條豎向、斜向裂縫,如圖1~3 所示。

        圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面示意圖(單位:m)

        圖2 橋下主塔主跨側(cè)豎、斜向裂縫

        圖3 橋下主塔錨跨側(cè)豎、斜向裂縫

        2 主橋整體及主塔局部分析

        2.1 整體模型計算荷載及參數(shù)

        2.1.1 材料參數(shù)。主梁和索塔混凝土等級C50,斜拉索采用φ7mm 高強(qiáng)度平行鋼絲束,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk為1670MPa,預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk為1860Mpa。

        2.1.2 荷載。(1)一期恒載、二期恒載。(2)索塔基礎(chǔ)不均勻沉降按2cm計,輔助墩、過渡墩基礎(chǔ)不均勻沉降按1.5cm計。(3)汽車荷載等級:公路-I 級。(4)體系整體升降溫:體系升溫按17℃考慮,體系降溫按-20.6℃考慮。(5)梁截面梯度溫差:混凝土梁按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)計算。

        2.1.3 荷載組合。計算中考慮的荷載組合包括:組合Ⅰ:恒載+基礎(chǔ)沉降+汽車荷載。組合Ⅱ-1:恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體升溫+截面升溫梯度。組合Ⅱ-2:恒載+基礎(chǔ)部均勻沉降+汽車荷載+整體降溫+截面降溫梯度。全橋總體模型分析采用Midas/Civil 2019 程序,按設(shè)計高程進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。主梁和主塔采用三維梁單元,斜拉索采用桁架單元。

        2.2 索塔墩實體有限元分析

        為分析病害產(chǎn)生的原因,采用MIDAS/FEA實體有限元軟件,建立如下實體有限元模型(圖4)。從Midas/Civil 全橋總體模型分析結(jié)果中提取斜拉橋在運(yùn)營階段的索力施加于主塔實體有限元模型中的斜拉索錨塊處。根據(jù)病害特點(diǎn),本次重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域為橋下主塔墩柱開裂病害部位。

        圖4 橋塔實體網(wǎng)格模型圖

        從上圖5~7 分析結(jié)果來看,忽略局部網(wǎng)格畸變和應(yīng)力集中區(qū)域,錨跨側(cè)墩和主跨側(cè)墩主拉應(yīng)力超過C50 混凝土設(shè)計值(1.8MPa)的區(qū)域與裂縫發(fā)生部位較為吻合,主墩拉應(yīng)力在2.2MPa~5.6MPa,實體模型中,未計入普通鋼筋的作用,故拉應(yīng)力絕對值相對較高。斜拉橋零號塊(墩梁固結(jié)處)長度21.6m,橋梁寬度36.2m,主塔傳遞下來的荷載,通過塔梁固結(jié)處梁體實心段(橫梁)橫向分配給墩身兩側(cè)空心室墩,兩側(cè)空心壁較薄,剛度小,變形大。其未充分考慮空心室墩與實心主墩的變形協(xié)調(diào),未配置與主拉應(yīng)力方向一致的斜筋,自身抗裂性不足。

        圖5 主跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

        2.3 橋塔輔助墩開裂影響分析

        2.3.1 空心墩和實體墩分離分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響,將主墩空心部分和實心部分分離,研究該種工況下主塔下部墩柱受力和變形情況。分析可知,恒載標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下,其最大主拉應(yīng)力為2.52 MPa,如圖9 所示;空心墩與主墩豎向變形量相差1mm 左右,兩者變形不協(xié)調(diào),主墩空心部分和實心部分存在受拉趨勢,導(dǎo)致主墩出現(xiàn)斜裂縫。

        2.3.2 忽略空心墩分析結(jié)果。為分析主塔空心墩開裂后的影響,計算模型中將主墩空心部分去掉,即假定空心部分完全失效,研究該種工況下主塔受力情況。采用MIDAS/FEA實體有限元軟件,建立如下網(wǎng)格模型圖10 所示。圖中應(yīng)力拉為+,壓為-。

        從圖11 中得知,除箱梁與墩身交界處應(yīng)力集中外,箱梁絕大部分梁體主拉應(yīng)力為負(fù),即梁體絕大部分不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

        從上圖12~15 分析結(jié)果來看,主塔空心墩開裂后,即使主墩空心完全失效,主墩最大主拉應(yīng)力為1.67MPa,未超高C50 混凝土抗拉設(shè)計值,由此說明主墩空心區(qū)域開裂對主塔受力影響不大。

        圖6 錨跨側(cè)墩P1 主應(yīng)力等值面圖

        圖7 錨跨側(cè)墩Y-Y(橫向)應(yīng)力圖

        圖8 豎向變形云圖(mm)

        圖9 主墩P1 主應(yīng)力等值面圖(MPa)

        圖10 主墩無實心部分實體有限元模型

        3 主要病害分析及處治建議

        圖11 箱梁0#塊主拉應(yīng)力(P1)圖

        圖12 錨跨側(cè)實心墩身主拉應(yīng)力(P1)圖

        圖13 主跨側(cè)實心墩身主拉應(yīng)力(P1)圖

        圖14 實心墩軸中心面主拉應(yīng)力(P1)圖

        圖15 實心墩軸中心面主壓應(yīng)力(P3)圖

        斜拉橋主塔在恒載作用下主要承受軸向壓力作用,根據(jù)主塔和橋墩結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可知,主塔承擔(dān)了較多的豎向荷載,可能其下部承臺中心區(qū)域的樁基礎(chǔ)沉降比外圍樁基礎(chǔ)沉降稍大,由此導(dǎo)致橋梁主墩出現(xiàn)斜向受剪、劈裂裂縫。通過對比有空心墩模型和無空心墩模型計算結(jié)果可知:

        3.1 主塔空心墩的主要作用是提高斜拉橋箱梁的橫向穩(wěn)定性、抗扭能力,以及增強(qiáng)主塔承臺基礎(chǔ)的傳力均勻性。在不考慮其具體作用的前提下,去除實心墩區(qū)域后,箱體對橋墩的約束變小,主墩內(nèi)側(cè)表面拉應(yīng)力值較低,小于1MPa。也即空心墩開裂不會影響結(jié)構(gòu)其余部分構(gòu)件的安全。

        3.2 因空心墩與實體主墩分配的豎向荷載不同,也即實體墩承擔(dān)了較大比例的豎向荷載,導(dǎo)致其豎向變形比空心墩多1mm 左右,因此在兩者交接的范圍內(nèi)出現(xiàn)了斜裂縫。

        因此,對于空心墩部分裂縫,建議暫且不作加固處理,僅作裂縫封閉、壓力灌縫和跟蹤觀測處理。

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