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        連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開裂成因及應(yīng)力限值的相關(guān)探索

        2021-09-23 16:06:41黃利友
        企業(yè)科技與發(fā)展 2021年8期
        關(guān)鍵詞:連續(xù)剛構(gòu)橋問題成因

        黃利友

        【關(guān)鍵詞】連續(xù)剛構(gòu)橋;箱梁腹板開裂;問題成因;應(yīng)力限值

        【中圖分類號】U448.23 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2021)08-0192-03

        0 前言

        近年來,部分連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)和運行過程中表現(xiàn)出箱梁腹板、頂板、底板、橫隔板等部分開裂的情況,相關(guān)問題的存在不僅會影響連續(xù)剛構(gòu)橋的整體質(zhì)量和使用壽命,還會影響橋梁建設(shè)和運營安全。因此,為保障連續(xù)剛構(gòu)橋的使用安全和使用壽命,必須對箱梁開裂成因進行分析研究,這對于箱梁養(yǎng)護、建設(shè)及設(shè)計具有重要意義。據(jù)此,本文將對連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開裂成因進行研究分析,以期能夠?qū)ο淞焊拱彘_裂問題的有效解決提供一定參考。

        1 連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋裂縫類型

        1.1 邊跨梁端腹板斜裂縫

        連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋邊跨張拉的預(yù)應(yīng)力筋需要錨固在邊跨端部,因為該結(jié)構(gòu)部分存在錨固應(yīng)力,而且混凝土具有橫向變形的特性,所以該結(jié)構(gòu)具有較強的拉應(yīng)力;邊跨端部的常規(guī)做法是在施工接近至最大懸臂時,在支架上進行一次澆筑,該結(jié)構(gòu)在體系轉(zhuǎn)換后會受到次內(nèi)力和支座反力的影響。由于邊跨端部的腹板受力復(fù)雜,因此雖然在施工中施工人員非常注意技術(shù)處理,但是腹板出現(xiàn)斜裂縫的現(xiàn)象仍然屢見不鮮。

        1.2 中跨L/3~L/4處腹板斜裂縫

        中跨L/3~L/4處腹板斜裂縫的主要表現(xiàn)特征為距中跨跨中10~20 m的地方,裂縫呈斜向延伸,當(dāng)延伸到頂、底板時則呈橫向延伸,此類裂縫的對稱性明顯。這種裂縫的產(chǎn)生受剪應(yīng)力和腹板豎向應(yīng)力的影響。在較早時期,在設(shè)計連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋時,受到當(dāng)時施工條件的限制,設(shè)計人員在對箱梁橋進行計算時一般采用平面桿系有限元結(jié)合經(jīng)驗系數(shù)的方法,忽略了箱梁結(jié)構(gòu)實際存在的空間效應(yīng)和畸變的影響,因此會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。

        1.3 箱梁頂、底板縱向裂縫

        箱梁頂、底板縱向裂縫的特征是長度不一,方向平行,底板裂縫多于頂板。箱梁橋頂板及底板的縱向開裂的原因比較復(fù)雜,一般認為是箱粱結(jié)構(gòu)的畸變和橫向彎曲,以及溫度梯度效應(yīng)、變截面箱梁合攏束張拉等均可導(dǎo)致箱梁縱向開裂。

        1.4 齒板裂縫

        齒板尺寸較小,但是設(shè)置了齒板的結(jié)構(gòu)往往會采用大噸位的預(yù)應(yīng)力體系,使得齒板承受很大的壓應(yīng)力,巨大的壓應(yīng)力將產(chǎn)生劈裂應(yīng)力,若未采取足夠的措施,將導(dǎo)致齒板附近的混凝土開裂。

        2 工程概況

        某連續(xù)剛構(gòu)橋為箱形連續(xù)橋,其主跨采用上下分離型設(shè)計,截面為單箱單室截面。橋墩高程約108 m,箱梁底板寬約8 m,頂板寬約15.8 m,箱梁兩側(cè)懸臂各3.9 m,箱梁高程區(qū)間為2.2~5.6 m,腹板寬0.5 m,箱梁底緣呈現(xiàn)拋物線性變化。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φs15.2 mm的鋼絞線、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋,其中縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的標(biāo)準強度為1 860 MPa,錨下張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa;豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力為0.8×830 MPa,單根預(yù)應(yīng)力鋼筋的橫截面面積為8.044×10-4 m2。

        3 連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開裂原因分析

        連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開裂原因分析將會分別采用Midas有限元分析軟件和ANSYS軟件進行,其中前者主要用于主梁的仿真分析,后者主要用于局部的仿真分析 [1]。在局部分析過程中,主跨將會通過Solid 65三維實體單元模擬主跨所采用的混凝土材料,同時在模型坐標(biāo)系構(gòu)建時,X軸、Y軸和Z軸分別作為橋梁的縱向、橫向及豎向,所構(gòu)成的模型如圖1和圖2所示,其中圖2中模型的起止點為X軸的21.5 m和39 m。

        3.1 豎向預(yù)應(yīng)力損失

        某連續(xù)剛構(gòu)橋豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的精軋螺紋鋼筋,在橋梁建設(shè)及運營過程中隨著時間的不斷推移,螺母和精軋螺紋鋼筋的間距損失和螺母錨固損失持續(xù)增加?;诖朔N情況,文章分別模擬預(yù)應(yīng)力損失為0、30%、50% 3種條件下豎向預(yù)應(yīng)力損失,分析導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋線路腹板開裂的原因。

        在模擬分析過程中,結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準,確定連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力混凝土拉應(yīng)力σtp和主因應(yīng)力σcp的計算公式如下 [2]:

        在以上公式中:σcx為混凝土向應(yīng)力,Ms主要是由Ms和預(yù)加力產(chǎn)生;Ms為混凝土作用短期組合效應(yīng)所產(chǎn)生的彎矩;σcy為鋼筋混凝土豎向壓力;τ為彎折預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的預(yù)加力和Vs共同產(chǎn)生的混凝土剪應(yīng)力;Vs為由作用短期效應(yīng)組合計算的剪力;σpc為去除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)壓應(yīng)力;y0為主應(yīng)力點到重心軸之間的距離;n為在同一截面上豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋總數(shù);σ■■為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋提供的預(yù)應(yīng)力;Apv為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋橫截面面積;sv為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的間距;b為主應(yīng)力點處箱梁腹板寬度;I0為連續(xù)剛構(gòu)橋慣性力矩。

        根據(jù)圖1中的某連續(xù)剛構(gòu)橋整體模型,基于上述公式,可以計算出連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各點主壓應(yīng)力值,具體計算點如圖3所示。不同點的豎向有效預(yù)應(yīng)力下的主壓應(yīng)力值見表1,不同豎向預(yù)應(yīng)力損失之間的拉應(yīng)力變化情況見表2。

        由表1和表2可知,箱梁腹板的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力會隨著主梁預(yù)應(yīng)力損失的變化而變化,并且在預(yù)應(yīng)力損失增加的情況下,主壓應(yīng)力變化較小、主拉應(yīng)力變化較大 [3],隨著主梁預(yù)應(yīng)力損失的持續(xù)變化,箱梁腹板的主拉應(yīng)力變化也將會逐漸明顯,一定情況下甚至可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力變化值大于1 MPa的情況。

        根據(jù)圖2中的局部模型分別對0、30%、50% 3種預(yù)應(yīng)力損失情況下的箱梁腹板受力情況進行模擬分析,最終獲取到圖4中的分析結(jié)果。

        由圖4可知,隨著豎向預(yù)應(yīng)力損失的持續(xù)增加,連續(xù)剛構(gòu)橋腹板開裂情況也逐漸嚴重,尤其在豎向預(yù)應(yīng)力損失達到50%時,腹板已經(jīng)出現(xiàn)明顯開裂的情況 [4]。由此可見,豎向預(yù)應(yīng)力損失將會對腹板開裂產(chǎn)生直接的影響,不僅需要在設(shè)計過程中對相關(guān)因素進行充分考慮,還需要在施工過程中嚴格控制施工標(biāo)準,避免因人為因素引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失問題,避免腹板出現(xiàn)應(yīng)力不符合設(shè)計要求而引發(fā)的腹板開裂情況。

        3.2 環(huán)境溫度

        通常情況下,環(huán)境溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板造成的影響由年溫差和局部溫差兩個部分組成,在對兩種影響進行模擬的過程中,年溫差所造成的影響需要對整體結(jié)構(gòu)進行充分考慮。若是針對溫度結(jié)構(gòu),那么年溫差通常會造成均值變化,若是針對無水平約束結(jié)構(gòu),那么只會造成結(jié)構(gòu)均勻收縮,卻不會引發(fā)結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)溫度應(yīng)力情況。若是結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)均勻伸縮約束,那么年溫差所造成的影響將會產(chǎn)生溫度應(yīng)力,進而影響整體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力變化;對于局部溫差,其所造成的影響在箱梁腹板上主要體現(xiàn)出沿界面高度方向的日照溫差影響。

        確定受日照的影響,“T”形連續(xù)梁橋面板與其他結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生溫度差,進而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。結(jié)合現(xiàn)有資料可知,在部分季節(jié)中,連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁頂板和頂板之間的溫差可達到10~15 ℃ [5]。穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)包括溫度自應(yīng)力和溫度次應(yīng)力,相關(guān)因素主要受到混凝土及橋面板的影響,其中溫度自應(yīng)力的計算公式如下:

        基于上述公式,分別對某連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度自應(yīng)力和溫度次應(yīng)力進行計算分析,根據(jù)某連續(xù)剛構(gòu)橋的實際情況,在對溫度應(yīng)力進行計算時應(yīng)考慮頂板與底板之間的溫度變化,假設(shè)主梁整體降溫20 ℃,那么頂板可能會降溫15 ℃,腹板和底板則可能會降溫20 ℃,進而導(dǎo)致頂板與腹板和底板之間存在溫度差,溫度差為5 ℃ [6]。兩種情況所造成的影響如圖5和圖6所示。

        由圖5和圖6可知,結(jié)構(gòu)存在溫度差的情況則會導(dǎo)致箱梁腹板存在明顯開裂情況,并且此種情況會隨著溫度差的增加而越發(fā)嚴重,然而將我國現(xiàn)行標(biāo)準與國際標(biāo)準進行對比后可以發(fā)現(xiàn),我國現(xiàn)行標(biāo)準中的規(guī)范溫度差相對較低[7],以此進行設(shè)計的橋梁將可能會存在一定的安全隱患,應(yīng)進一步規(guī)范溫度差,以此提高應(yīng)力限值,確保連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)和運營過程中箱梁腹板的整體質(zhì)量。

        4 結(jié)語

        綜上所述,本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象,通過仿真模擬分析的方式最終確定線路腹板開裂的成因為豎向預(yù)應(yīng)力損失及頂板和底板之間的溫度差,并且結(jié)合我國現(xiàn)行標(biāo)準分析后發(fā)現(xiàn),我國現(xiàn)行標(biāo)準中的規(guī)范溫度差相對較低,以此進行設(shè)計的連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嬖谝欢ǖ陌踩[患,應(yīng)對相關(guān)標(biāo)準進行完善,進而提高連續(xù)剛構(gòu)橋的整體應(yīng)力限值,保障連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)與運營中的整體質(zhì)量及使用壽命。

        參 考 文 獻

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