后張梁封端防水治理影響因素的數(shù)值模擬

黃 鵬，張 青，郭志強(qiáng)，黃建坤，石志飛

(1.神朔鐵路公司 運(yùn)輸管理部，陜西 神木 719316;2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100044)

0 引言

后張預(yù)應(yīng)力梁封端滲漏治理是針對(duì)封端新舊混凝土結(jié)合處開裂發(fā)生滲漏、為提高梁的耐久性而采取的一種必要措施。目前，對(duì)于該類病害，已有一些治理方法，如唐山和懷柔北工務(wù)段采取“壓注封堵”的辦法來(lái)解決滲漏，以達(dá)到投資少見(jiàn)效快的目的。采用在梁體端面加做防水層結(jié)合上部鋪設(shè)防水卷材的方法對(duì)神朔線大柳塔—府谷段部分橋梁的滲漏病害進(jìn)行了整體治理，效果明顯。由于封端端面處于支座受力區(qū)之外，因此，列車荷載、錨具應(yīng)力等都不會(huì)對(duì)端面受力產(chǎn)生影響。而由自然氣候產(chǎn)生的溫度荷載、材料的熱物理性能以及施工缺陷是產(chǎn)生局部應(yīng)力和發(fā)生界面脫黏的主要因素［1-2］，有必要考察這些因素對(duì)界面黏結(jié)應(yīng)力的影響，以便在選擇防水材料時(shí)有充分的依據(jù)，對(duì)治理效果影響因素的評(píng)價(jià)，尚未見(jiàn)有報(bào)道。

本文采用ANSYS分析軟件，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了溫度、施工缺陷和材料參數(shù)等因素對(duì)封端力學(xué)性能的影響。研究表明所用施工方案是可行的，梁端力學(xué)性能對(duì)溫度、施工缺陷以及材料均具有可容性。

1 模型簡(jiǎn)化

神朔線府谷段大多為橋梁廠生產(chǎn)的32 m跨度T形截面后張梁。在進(jìn)行病害治理時(shí)，工序大致如下:基面清理和鑿毛、刷4 mm厚防水砂漿、再刷2 mm厚防水涂料。為便于分析又能滿足工程精度要求，做如下簡(jiǎn)化:①將32 m T形梁端截面簡(jiǎn)化為截面為800 mm×1 000 mm、長(zhǎng)度為1 000 mm的懸臂梁;②防水砂漿取施工中的平均厚度4 mm，防水涂料厚度取2 mm，③梁體施工溫度取15℃，梁體上下左右4面設(shè)置空氣對(duì)流條件。大量試驗(yàn)研究表明［3-4］，溫度荷載中，以變化急劇的日照溫差對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響比長(zhǎng)期緩慢的年氣溫荷載要大得多，所以，從最不利情況出發(fā)，只考慮梁端日照溫度變化的影響。設(shè)定梁端溫度變化范圍為-30℃ ～30℃，溫度變化間隔為10℃。分析模型及其它參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 梁端防水層示意

表1 混凝土梁體、防水砂漿和防水涂料相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)值仿真與結(jié)果分析

在本文的數(shù)值模擬中，選用ANSYS提供的具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元 SOILD5，而后對(duì)溫度變化、施工缺陷以及材料參數(shù)變化等各種影響因素進(jìn)行分析。

2.1 施工缺陷影響分析

假定防水涂料和防水砂漿黏結(jié)面上存在矩形脫黏(如圖2)，溫度從-30℃變化到30℃時(shí)，脫黏角點(diǎn) A處的應(yīng)力變化如圖3所示;當(dāng)梁端端面溫度為30℃時(shí)，梁端溫度正應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖2 界面脫黏位置示意

圖3 A點(diǎn)處應(yīng)力隨溫度變化曲線

圖4 梁端溫度正應(yīng)力分布云圖

圖5 各點(diǎn)位置示意圖

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梁端面中部防水涂料和防水砂漿黏結(jié)面上存在很小的矩形，最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均成線性變化規(guī)律，矩形脫黏界面周邊的最大正應(yīng)力從-2.25 MPa變化到0.75 MPa，而最大的剪應(yīng)力則從-0.4 MPa變化到1.2 MPa(如圖3)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在梁端端面溫度最高時(shí)。當(dāng)梁端端面溫度為30℃時(shí)，從梁端溫度正應(yīng)力分布云圖可以看出，溫度變化引起的黏結(jié)界面上的應(yīng)力變化主要集中在拐角點(diǎn)附近，且該處應(yīng)力明顯大于其它部位的應(yīng)力(如圖4(a))。矩形脫黏角點(diǎn)A處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(如圖4(b))，但是A點(diǎn)此時(shí)并非應(yīng)力最大處。

進(jìn)一步，假定防水涂料和防水砂漿黏結(jié)面上存在圓形脫黏(如圖5)，溫度從 -30℃變化到30℃時(shí)，脫黏面上1、2點(diǎn)處的應(yīng)力變化如圖6和圖7所示。當(dāng)梁端端面溫度為30℃時(shí)，梁端溫度應(yīng)力云圖如圖8所示。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梁端面中部防水涂料和防水砂漿黏結(jié)面上存在很小圓形脫黏時(shí)，最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力也成線性變化規(guī)律。從應(yīng)力變化規(guī)律圖和應(yīng)力分布云圖可以看出，圓形脫黏區(qū)域比方形脫黏區(qū)域引起的梁端部應(yīng)力要小得多，溫度變化引起的黏結(jié)界面上的應(yīng)力變化同樣主要集中在拐角附近，同時(shí)圓形脫黏區(qū)附近的應(yīng)力分布更加均勻(如圖8)。

圖6 1號(hào)點(diǎn)應(yīng)力隨溫度變化曲線

圖7 2號(hào)點(diǎn)應(yīng)力隨溫度變化曲線

另外，在計(jì)算防水層與實(shí)體梁黏結(jié)完好工況時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中僅發(fā)生在拐角附近。因此，梁端面中部的施工小缺陷，對(duì)梁端整體力學(xué)性能影響不大。工程中做好拐角處的圓弧處理是避免防水層開裂的有效手段。

圖8 梁端溫度正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布云圖

2.2 彈性模量變化影響分析

圖9分別給出了25℃時(shí)，黏結(jié)界面上最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力隨防水砂漿彈性模量變化而變化的關(guān)系曲線。

圖9 黏結(jié)面上應(yīng)力隨防水砂漿彈性模量變化曲線

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，梁體溫度為25℃時(shí)，黏結(jié)面上最大正應(yīng)力與防水砂漿彈性模量成非線性關(guān)系(如圖9(a))。防水砂漿彈性模量從10 GPa變化到100 GPa時(shí)，最大正應(yīng)力在0.74～0.78 MPa范圍內(nèi)變化;同樣的梁體溫度，計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，黏結(jié)面上最大剪應(yīng)力與防水砂漿彈性模量也成非線性關(guān)系(如圖9(b))，防水砂漿彈性模量從10 GPa變化到100 GPa時(shí)，最大剪應(yīng)力在-0.36～-0.22 MPa范圍內(nèi)變化。

2.3 熱膨脹系數(shù)變化影響分析

圖10給出了25℃時(shí)，混凝土熱膨脹系數(shù)、防水砂漿熱膨脹系數(shù)和防水涂料熱膨脹系數(shù)分別變化時(shí)，防水砂漿與實(shí)體梁黏結(jié)界面上最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化曲線。

梁體溫度為25℃，混凝土熱膨脹系數(shù)、防水砂漿熱膨脹系數(shù)和防水涂料熱膨脹系數(shù)分別變化時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn):防水砂漿與實(shí)體梁黏結(jié)界面上最大軸向正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律均呈線性關(guān)系。其中，以混凝土梁的熱膨脹系數(shù)對(duì)黏結(jié)界面的應(yīng)力影響最大，當(dāng)混凝土熱膨脹系數(shù)從0.9×10-5變化到1.5×10-5時(shí)，界面上最大軸向正應(yīng)力在0.75～1.5 MPa范圍內(nèi)變化，而最大剪應(yīng)力從-0.32 MPa變化到-0.52 MPa。

圖10 黏結(jié)界面上應(yīng)力隨材料熱膨脹系數(shù)變化

3 結(jié)論

數(shù)值分析表明，針對(duì)梁端面涂刷防水砂漿和防水涂料兩道防水工序，無(wú)論是材料參數(shù)變化還是施工小缺陷，對(duì)梁端整體力學(xué)性能影響均不大。由于普通防水砂漿與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度只能達(dá)到0.2 MPa到1.2 MPa［5］，不能滿足具有較高要求的工程需求;而聚合物類防水砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度能夠達(dá)到1.2 MPa以上，這就為防水材料的選用提供了較大的范圍。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTGD60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］KEHLBECK F.太陽(yáng)輻射對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB1002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］葉琳昌，葉筠.建筑物滲漏水原因與防治措施［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.