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        空心板梁橋鉸縫破壞機理精細化有限元分析

        2021-04-12 02:58:40高慶飛宋洪雨秦衛(wèi)軍
        公路工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:塊板鉸縫板梁

        高慶飛, 宋洪雨,2, 張 坤, 秦衛(wèi)軍

        (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司, 北京 100082; 3.吉林省交通科學(xué)研究所, 吉林 長春 130012)

        0 引言

        空心板梁橋由于其構(gòu)造簡單、建筑高度低、施工方便、造價低等優(yōu)勢在我國中小跨徑橋梁中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是大量空心板梁橋都在運營期間出現(xiàn)病害,隨后國家頒布了2008年交通部空心板標準圖以改進企口縫的構(gòu)造設(shè)計,不過改進并沒有徹底克服病害問題,鉸縫病害仍然嚴重影響著橋梁的安全性和耐久性[2-4]。作為空心板梁橋的結(jié)構(gòu)整體受力關(guān)鍵構(gòu)件,鉸縫存在著某些先天不足從而使其成為結(jié)構(gòu)體系中的最薄弱的構(gòu)件,一旦發(fā)生病害,不僅是嚴重的安全隱患,而且增加了大量養(yǎng)護維修成本,因此研究鉸縫的受力狀態(tài)及其破壞機理變得尤為重要,為接下來的病害防治養(yǎng)護加固等提供重要理論支持[5-8]。

        我國現(xiàn)行的空心板梁橋設(shè)計方法采用鉸接板法計算橫向分布影響線,在最不利布載下計算出合板梁的橫向分布系數(shù),根據(jù)單梁最大荷載進行截面配筋設(shè)計,根據(jù)等效半波荷載峰值求出接縫內(nèi)最大剪力,最后按照純剪狀態(tài)驗算鉸縫剪力[9-10]。

        1 荷載橫向分布研究

        1.1 有限元法計算橫向分布

        鉸縫將車輛荷載傳遞到各板梁上,采用橫向分布理論簡化橋梁實際受力,對簡化后的平面問題進行計算。鉸接板法假定鉸縫無橫向抗彎剛度,僅傳遞豎向剪力,實際中鉸縫的自由轉(zhuǎn)動被限制,能夠傳遞彎矩,故需采用有限元法建立實體模型來模擬鉸縫實際情況。

        參考2008年交通部13m跨徑裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁標準圖(公路-I級),利用ANSYS大型有限元軟件,采用Solid45實體單元模擬鉸縫及空心板,不考慮普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線,不考慮橋面鋪裝層取最不利情況,10塊板有限元模型見圖1。

        圖1 10塊板有限元模型

        計算得到10塊板模型橫向分布影響線有限元法計算結(jié)果見圖2,結(jié)構(gòu)高度對稱,因此僅給出橋梁一半結(jié)果。

        圖2顯示,大鉸縫空心板梁橋荷載梁間分布更均勻,大鉸縫在鉸縫完好時,空心板梁整體受力性能較好,小鉸縫橫向聯(lián)系弱,荷載橫向傳遞較差。

        1.2 鉸接板法計算橫向分布

        將空心板截面特性代入式(1)中求出剛度參數(shù),截面特性見表1,計算橫向分布影響線坐標值,繪制荷載橫向分布影響線,10塊板模型橫向分布影響線鉸接板法計算結(jié)果見圖3。

        圖2 10塊板模型橫向分布影響線有限元法計算結(jié)果

        表1 空心板截面特性Tab.1 Cross-sectional characteristics of hollow slabs鉸縫形式面積/m2抗彎慣性矩I/m4抗扭慣性矩It/m4大鉸縫0.380 40.022 1380.041 195小鉸縫0.440 30.023 4520.052 314

        (1)

        圖3顯示,有限元法相比鉸接板法計算結(jié)果更加均勻、整體性好,且隨著板數(shù)的增加,荷載分布的不均勻程度更加明顯。

        1.3 橫向分布對比分析

        為了更直觀分析,將剛接板法、鉸接板法、鉸縫完好和大鉸縫開裂一定高度的有限元法的計算結(jié)果分別進行比較,剛接板法考慮橫向彎矩的影響。

        a.大鉸縫空心板梁橋。

        分析大鉸縫空心板梁橋橫向分布,對比鉸縫不同開裂高度模型有限元計算結(jié)果,顯示隨鉸縫開裂高度增加,荷載橫向分布逐漸趨近鉸接板法計算結(jié)果,以鉸縫開裂31 cm為例,給出大鉸縫1號板梁橫向分布影響線對比結(jié)果,見圖4。

        圖3 10塊板模型橫向分布影響線鉸接板法計算結(jié)果

        對比可以看出,大鉸縫空心板梁橋,其鉸縫完好時,有限元法和剛接板法計算結(jié)果接近,說明鉸縫完好時,大鉸縫空心板梁橋受力狀態(tài)接近整體板,其鉸縫開裂到一定程度時,各板梁間橫向聯(lián)系減弱,計算結(jié)果接近鉸接板法,不過仍存在一定差距。結(jié)果顯示,鉸接板法理論與大鉸縫空心板梁實際情況存在一定差異,單就主梁設(shè)計看,計算結(jié)果偏于保守。

        圖4 大鉸縫1號板梁橫向分布影響線對比

        b.小鉸縫空心板梁橋。

        在2008年交通部空心板梁標準圖發(fā)布之前,我國主要采用小鉸縫形式空心板梁橋,運用上述分析方法,對小鉸縫空心板梁橋的荷載橫向分布進行分析,對比大鉸縫空心板梁橋研究鉸縫病害產(chǎn)生原因,小鉸縫1號板梁橫向分布影響線對比結(jié)果,見圖5。

        圖5顯示,小鉸縫空心板梁橋,有限元法與鉸接板法計算結(jié)果接近,小鉸縫空心板模型整體性不如大鉸縫空心板好,鉸接板法計算結(jié)果更接近實際受力,但由于鉸縫多邊形構(gòu)造限制自由轉(zhuǎn)動,依然和實際情況存在一定差異。

        圖5 小鉸縫1號板梁橫向分布影響線對比

        以上采用不同方法對比分析了空心板梁橋的荷載橫向分布規(guī)律,不同方法計算所得的結(jié)果存在較大差異,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中鉸接板法不能精確反應(yīng)大鉸縫空心板梁橋?qū)嶋H荷載橫向分布,為分析鉸縫病害機理,需針對鉸縫應(yīng)力狀態(tài)進一步研究。

        2 空心板鉸縫應(yīng)力分布

        2.1 最不利布載

        現(xiàn)行空心板梁橋的設(shè)計主要采用大鉸縫構(gòu)造形式,大鉸縫板間橫向聯(lián)系較強,實際運營時更接近板的形式,然而對于鉸縫病害產(chǎn)生的原因,需要分析鉸縫的實際受力狀態(tài)。

        建立5塊板有限元模型,分9個工況進行加載,觀察鉸縫截面各控制點應(yīng)力狀態(tài),分析不同工況下鉸縫位置的應(yīng)力分布,工況加載位置及鉸縫應(yīng)力控制點位置見圖6,參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)采用車輪均布荷載形式,荷載取200 kN,車輪橋面的接觸面積為0.6 m×0.2 m,不考慮橋面鋪裝。

        2.2 橫向正應(yīng)力

        取鉸縫底緣1#控制點,分析不同荷載工況下空心板梁橋的鉸縫橫向正應(yīng)力分布,橫向正應(yīng)力沿縱向分布規(guī)律見圖7。

        圖6 各工況加載位置及鉸縫應(yīng)力控制點位置

        圖7顯示,靠近荷載布置位置的鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力較為集中,遠離荷載布置位置的鉸縫底緣出現(xiàn)橫向壓應(yīng)力。1號鉸縫底緣在中板跨中布載時產(chǎn)生最大橫向正應(yīng)力,取其所在鉸縫截面分析,采用工況1進行加載,提取1#控制點→3#控制點→6#控制點橫向正應(yīng)力沿豎向分布規(guī)律,與整體板進行對比。

        整體空心板鉸縫可以與主梁看作整體,鉸縫作為受力構(gòu)件上緣受壓,底緣受拉,接近橫向受彎構(gòu)件,由于構(gòu)造本身原因,鉸縫底緣出現(xiàn)最大橫向正應(yīng)力。1號鉸縫頂緣出現(xiàn)少量橫向拉應(yīng)力,理論上不應(yīng)該出現(xiàn),對鉸縫頂緣橫向正應(yīng)力沿橋梁縱向分布進行分析,見圖8。

        圖7 1號鉸縫底緣橫向正應(yīng)力沿縱向分布

        續(xù)圖7 1號鉸縫底緣橫向正應(yīng)力沿縱向分布

        加載區(qū)附近鉸縫頂緣局部拉應(yīng)力突變,在邊板加載時達到最大,局部應(yīng)力集中導(dǎo)致了突變,在消除應(yīng)力集中后鉸縫頂緣則恢復(fù)了受壓性能。

        將9塊板模型與5塊板模型的橫向正應(yīng)力最大值及最大值所在截面沿鉸縫高度規(guī)律進行對比,分析橋?qū)拰M向正應(yīng)力分布影響。結(jié)果顯示橋?qū)挷⒉挥绊憴M向正應(yīng)力沿鉸縫高度的分布規(guī)律,鉸縫底緣最大橫向拉應(yīng)力隨橋?qū)捲黾幼兇?。采用此法研究小鉸縫空心板梁橋,發(fā)現(xiàn)小鉸縫沿高度方向處于受壓狀態(tài),鉸縫底緣存在較大橫向拉應(yīng)力,在中板跨中布載下2號鉸縫底緣橫向正應(yīng)力沿鉸縫高度分布及縱向分布規(guī)律,見圖9。

        圖8 1號鉸縫頂緣橫向正應(yīng)力沿縱向分布

        續(xù)圖8 1號鉸縫頂緣橫向正應(yīng)力沿縱向分布

        圖9 小鉸縫橫向正應(yīng)力沿鉸縫高度分布及縱向分布

        圖9顯示,加載區(qū)附近鉸縫底緣存在局部低應(yīng)力區(qū),橫向正應(yīng)力水平整體比大鉸縫要高。取鉸縫底部完全填充、小鉸縫、大鉸縫的空心板模型研究,采用工況1布載,對比后分析2號鉸縫底緣橫向正應(yīng)力以及中板和次邊板產(chǎn)生的橫向位移規(guī)律。橫向正應(yīng)力對比見圖10,橫向位移及位移差對比見圖11。

        圖10、圖11顯示,橫向位移差和橫向正應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致,因此相鄰板梁的橫向相對位移是導(dǎo)致鉸縫底緣橫向正應(yīng)力的主要原因。為實現(xiàn)相鄰板梁間的變形協(xié)調(diào),裝配式空心板梁橋澆筑鉸縫時留1 cm施工縫,荷載較大時,板梁受力扭轉(zhuǎn),板梁間出現(xiàn)橫向相對位移,產(chǎn)生橫向正應(yīng)力,隨著鉸縫高度的變小,橫向連接變差,各板梁自由活動空間變大,在鉸縫底緣產(chǎn)生較大橫向拉應(yīng)力,而全部填充的鉸縫底部由于變形協(xié)調(diào)均勻,橫向正應(yīng)力較小。

        圖10 鉸縫橫向正應(yīng)力分布對比

        圖11 鉸縫相鄰板梁橫向位移對比

        2.3 豎向剪應(yīng)力

        現(xiàn)行空心板設(shè)計中鉸縫應(yīng)力主要考慮豎向剪應(yīng)力,現(xiàn)取在鉸縫高度方向的豎向剪應(yīng)力進行縱向分析,對空心板各鉸縫在不同加載工況下豎向剪應(yīng)力縱向分布進行比較,見圖12。

        圖12 1號鉸縫底緣豎向剪應(yīng)力沿縱向分布

        圖12顯示,鉸縫豎向剪應(yīng)力隨著荷載距離的增大而快速衰減,支座附近也存在部分豎向剪應(yīng)力,與9塊板模型進行對比,豎向剪應(yīng)力峰值不隨橋?qū)捀淖兌淖?,鋪裝層可以使荷載均勻作業(yè)在各板梁從而分擔(dān)部分荷載。

        采用此法研究小鉸縫高度對豎向剪應(yīng)力的影響,小鉸縫全截面抗剪,鉸縫底緣峰值大于大鉸縫的峰值,豎向剪應(yīng)力沿縱橋向衰減規(guī)律與大鉸縫一致,支座附近存在較大豎向剪應(yīng)力,豎向剪應(yīng)力沿鉸縫高度分布及橋長方向分布規(guī)律見圖13。

        圖13 小鉸縫底緣豎向剪應(yīng)力沿鉸縫高度分布及沿橋長方向分布

        2.4 縱向正應(yīng)力

        對比各工況布載下鉸縫高度對縱向正應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)鉸縫沿縱向分布符合受彎構(gòu)件規(guī)律,頂緣受壓,底緣受拉,即在鉸縫完好時,鉸縫與主梁共同承擔(dān)縱向彎矩。

        鉸縫底緣在縱向受彎時受拉,可能開裂,需要確定最大縱向正應(yīng)力的出現(xiàn)位置,取鉸縫底緣,分析縱向正應(yīng)力在不同工況布載下沿橋梁縱向分布規(guī)律,見圖14。

        圖14顯示,鉸縫縱向正應(yīng)力隨著遠離荷載作用區(qū)域而變得平緩,與9塊板模型進行對比,隨橋?qū)捲黾涌v向正應(yīng)力峰值降低了,分析鋪裝層影響,增加10 cm混凝土鋪裝層可以有效減小鉸縫縱向正應(yīng)力峰值。

        采用此法研究小鉸縫高度對縱向正應(yīng)力影響,由于小鉸縫位于空心板中性軸以上,鉸縫全截面在縱向受彎時處于受壓區(qū),因此縱向正應(yīng)力并不直接導(dǎo)致小鉸縫開裂,在中板跨中布載下2號鉸縫底緣縱向正應(yīng)力沿鉸縫高度分布及橋長方向分布規(guī)律,見圖15。

        2.5 縱向剪應(yīng)力

        板梁間縱向錯動會在鉸縫位置產(chǎn)生縱向剪應(yīng)力,鉸縫底緣縱向剪應(yīng)力在不同加載工況下沿縱橋向分布規(guī)律,見圖16。

        圖16顯示,鉸縫底緣縱向剪應(yīng)力隨荷載向邊板靠近而增大,采用此法研究小鉸縫模型,縱向剪應(yīng)力沿縱橋向分布規(guī)律與大鉸縫一致,縱向剪應(yīng)力沿鉸縫高度分布及橋長方向分布規(guī)律見圖17。

        圖14 1號鉸縫底緣縱向正應(yīng)力沿縱向分布

        圖15 小鉸縫底緣縱向正應(yīng)力沿鉸縫高度分布及沿橋長方向分布

        圖16 1號鉸縫底緣縱向剪應(yīng)力沿縱向分布

        圖17 小鉸縫底緣縱向剪應(yīng)力沿鉸縫高度分布及沿橋長方向分布

        3 結(jié)論

        通過建立空心板梁橋ANSYS有限元實體模型,對比分析了鉸接板法與有限元法荷載橫向分布影響線,研究了鉸縫主要應(yīng)力分布規(guī)律并依此分析了鉸縫的實際受力狀態(tài)。

        a.大鉸縫空心板梁橋中,當(dāng)鉸縫完好時,有限元法與剛接板法計算出的橫向分布影響線結(jié)果較為接近,與鉸接板法結(jié)果有許多差異,而當(dāng)鉸縫開裂至一定高度時,有限元法與鉸接板法計算出的橫向分布影響線結(jié)果較為接近。小鉸縫空心板梁橋中,有限元法和鉸接板法計算出的橫向分布影響線結(jié)果更接近,但是存在一定差距。

        b.鉸縫實際受力狀態(tài)十分復(fù)雜,現(xiàn)行設(shè)計方法不能完好地模擬,各主要應(yīng)力的峰值存在于不同的工況之中,最不利荷載工況為中板跨中布載時,鉸縫底緣橫向正應(yīng)力較大,而當(dāng)縱向正應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力達到一定水平后,鉸縫底緣雙向受拉,極易開裂。

        c.鉸縫的縱向正應(yīng)力隨橋?qū)捲黾又饾u減小,而橫向正應(yīng)力逐漸增大,從而成為鉸縫產(chǎn)生病害的主要因素,鉸縫底緣出現(xiàn)橫向正應(yīng)力的主要原因是相鄰板梁的橫向相對錯動。

        空心板梁存在施工接縫,在鉸縫底緣存在較大應(yīng)力,在交通荷載作用下鉸縫開裂,隨著裂縫不斷發(fā)展,相鄰板梁橫向約束減弱,于是產(chǎn)生更大橫向相對錯動,由此又增大鉸縫未開裂部分的橫向拉應(yīng)力,循環(huán)多次后,開裂至一定高度,鉸縫由于抗剪不足被破壞,橋梁單板受力,安全性能降低。橋梁寬度的逐漸增大,會導(dǎo)致鉸縫的縱向正應(yīng)力減小、橫向正應(yīng)力增大,從而成為鉸縫病害的主導(dǎo)因素。

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