16 m先張空心板梁放張過程中的應(yīng)力測試與分析

趙永光

(唐山遠大實業(yè)集團有限公司,河北唐山 063600)

0 引言

隨著公路橋梁 04新規(guī)范的頒布與實施,工程界對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高的要求。針對這種要求,使用的混凝土標號越來越高,預(yù)應(yīng)力張拉噸位也越來越大。但在預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁過程中,仍然發(fā)現(xiàn)有不少裂縫的存在,對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生了一定程度的影響,達不到新規(guī)范的要求。通過大量工程調(diào)研后發(fā)現(xiàn),先張梁底板以及跨中腹板關(guān)鍵截面處等部位,出現(xiàn)施工裂縫的幾率較大。

為了預(yù)防此類裂縫的產(chǎn)生,提高橋梁的質(zhì)量和耐久性,必須對其產(chǎn)生原因進行研究并采取有效措施進行預(yù)防和處理。而設(shè)計人員在進行設(shè)計計算時一般不考慮空心板梁的空間受力問題,對空心板梁的局部受力也不做過多分析,這在原來標號比較低張拉噸位較小時對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的計算是適用的,而針對現(xiàn)在工程中為了提高橋梁的耐久性普遍采用高標號混凝土和較大張拉噸位預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁時就容易出現(xiàn)問題。因為隨著張拉噸位的提高,整個空心板梁的局部受力也會發(fā)生相應(yīng)的改變,致使局部拉應(yīng)力超過混凝土容許拉應(yīng)力而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,降低混凝土橋梁的耐久性。應(yīng)力測試是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋施工控制的有效手段,它能彌補設(shè)計計算中參數(shù)選擇不合理或一些因素無法考慮的不足,使橋梁的施工和運行更加安全。通過對測試系統(tǒng)的評價和對測試數(shù)據(jù)的誤差分析,可以排除測試中一些因素的影響,較客觀地反映實際結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力狀況。因此,在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁預(yù)制的開始階段,就采用試驗的方法對其容易出現(xiàn)裂縫部位進行應(yīng)力測試與研究,并利用空間受力分析的方法對其受力進行精確分析,并和測試值進行對照,找出產(chǎn)生裂縫真正的原因,確定適當?shù)脑O(shè)計施工補救措施,為以后同類工程設(shè)計與施工提供參考,則具有較高的實用價值。

以河北某高速路上一 16 m先張空心板梁為試驗梁段,在其關(guān)鍵截面布置了相應(yīng)的應(yīng)力測試傳感器,對其澆筑混凝土以及整個放張過程進行了應(yīng)力測試,并對測試結(jié)果進行了分析與討論。

1 工程概況

試驗梁段采用河北某高速路上一 16m空心先張板梁,具體尺寸如圖1所示。

為了準確分析研究先張空心板梁放張過程中關(guān)鍵部位受力變化情況,在梁體底板以及跨中腹板兩側(cè)布置應(yīng)變傳感器如圖2、圖3所示。為了觀測跨中截面受力情況,在跨中截面沿腹板高度方向?qū)ΨQ布置了4個傳感器,共計布置 13個測點。

2 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量[1-3]

圖1 16m先張板跨中斷面(單位:cm)

圖2 16m斜交先張板底板測點斷面位置(單位:mm)

混凝土應(yīng)力監(jiān)測主要是為了了解橋梁應(yīng)力的實際分布,尋求最大應(yīng)力(拉、壓應(yīng)力)的位置、大小和方向。以便對橋梁梁體重量及其它荷載變化情況進行判斷,以確保結(jié)構(gòu)施工安全,為橋梁的施工、運營以及加固維修提供依據(jù)。通過應(yīng)力監(jiān)測成果還可以檢驗計算方法及計算參數(shù)取值的合理性。

如何觀測混凝土應(yīng)力,是一個復(fù)雜的技術(shù)問題。至今人們尚未研制出一種能夠直接觀測混凝土應(yīng)力的有效而實用的儀器。如今主要還是利用應(yīng)變計來觀測混凝土的應(yīng)變,再進一步將應(yīng)變資料考慮材料彈性模量后算得該點混凝土應(yīng)力。目前用于混凝土應(yīng)變測試的傳感元件類型較多,如電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計、光纖傳感器等。其中,振弦式傳感元件由于測試精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、測量方便等優(yōu)點而在混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試中普遍采用。

圖3 16m梁跨中截面測點布置(單位:mm)

試驗監(jiān)測在混凝土入模后立即進行,即混凝土澆筑開始同時進行各測點的監(jiān)測,采集時間固定在早晨太陽出來之前,這段時間溫度最恒定,可以消除溫度對應(yīng)變測試的影響,測試頻率是每天三次(早、中、晚各一次)以觀察一天溫度變化對應(yīng)變讀數(shù)的影響,一直觀測到預(yù)應(yīng)力放張完。

3 空心板梁的有限元分析

為了得到力筋放張后梁體的真實應(yīng)力狀態(tài),現(xiàn)利用 ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行有限元分析,并對照試驗結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的安全性,同時闡述 ANSYS在模擬預(yù)應(yīng)力混凝土斜梁中的應(yīng)用。

3.1 計算模型

采用通用有限元軟件 ANSYS按照實際尺寸建模,坐標系的選取如圖4所示,x軸沿橫橋向,y軸正方向豎直向上,z軸沿橋梁軸向,0點與邊跨邊板的下部外側(cè)重合。按單跨斜簡支梁剛性支承模式進行建模分析,不計端橫梁的變形及支座變形?；炷敛捎?solid95單元模擬,預(yù)應(yīng)力筋采用 link8單元模擬。通過對預(yù)應(yīng)力筋施加溫度來模擬張拉應(yīng)力。模型總長 16.0 m。單元總數(shù) 21 308個,其中混凝土單元 20 558個,預(yù)應(yīng)力筋單元 750個。工況為放張后。圖4為劃分單元后的有限元模型圖。預(yù)應(yīng)力鋼筋按下述方法處理:

(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理。采用節(jié)點耦合法模擬預(yù)應(yīng)力筋,即將預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土分別建模并劃分網(wǎng)格,然后將預(yù)應(yīng)力筋圖4劃分單元后的有限元模型的節(jié)點和離它最近的混凝土的節(jié)點在垂直于預(yù)應(yīng)力筋的兩個方向上進行位移耦合。采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力,根據(jù)預(yù)應(yīng)力和材料熱膨脹系數(shù)反算張拉完成狀態(tài)預(yù)應(yīng)力筋需施加溫度值的大小,給鋼筋施加等效溫度 Δt,Δt=F/AsαEs。其中,F表示扣除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力的大小;As和 Es分別為鋼筋的截面積和彈性模量;α為鋼筋的線膨脹系數(shù)。

(2)鋼筋預(yù)應(yīng)力損失計算?？紤]了先張斜梁傳力錨固時的鋼筋預(yù)應(yīng)力損失,包括錨具變形和鋼筋回縮所引起的預(yù)應(yīng)力損失及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛所引起的預(yù)應(yīng)力損失,其值可通過文獻[4]中的公式計算得到。降溫法的溫度是按張拉控制應(yīng)力減去上述兩項損失后的應(yīng)力值反算的,因存在混凝土的彈性壓縮,計算完成后的力筋應(yīng)力不等于張拉控制應(yīng)力,故將溫度 Δt增大一定的比例。又因為力筋的長短不一,Δt增大的比例也不相同,最長力筋的 Δt增大了 1%,最短的 Δt增大了 3%,然后再進行降溫計算。

3.2 有限元計算結(jié)果和測試數(shù)據(jù)分析

放張后的應(yīng)力云圖如圖5所示,不同位置斷面的應(yīng)力云圖如圖6～圖10所示,先張板梁實測值與ANSYS計算值的對比如表1所示,表1中負值表示受壓。

圖4 劃分單元后的有限元模型

圖5 放張后的應(yīng)力云圖(z方向)

圖6 位置 1所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖7 位置 2所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖8 跨中斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖9 位置 4所在斷面的應(yīng)力云圖(x方向)

表1 16m先張板試驗值與 ANSYS計算值的對比

由圖5～圖10和表1可知,沿梁體縱向的混凝土基本處于受壓狀態(tài),梁頂和梁底均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,可以判斷梁體處于彈性工作狀態(tài),安全儲備較大。除 10、12號測點外,其余測點的實測值與計算值偏差不大。在 ANSYS計算中,曾沿梁體縱向距傳感器理論位置取值,發(fā)現(xiàn)其值與表中值相差不大,但對角度變化明顯,同時考慮到傳感器放置時的誤差,故實測值與計算值的偏差是由傳感器的放置方向引起的。

3.3 16m先張空心板梁測試數(shù)據(jù)分析

先張板應(yīng)力測試數(shù)據(jù)匯總后見表2,板中截面實測應(yīng)力曲線如圖11,曲線有一個明顯的陡坡,表示預(yù)應(yīng)力放張這個重要的工況。

圖10 位置 9所在斷面的應(yīng)力云圖(z方向)

圖11 16m先張板之中截面縱向應(yīng)力曲線

表2 16m先張板試驗測試應(yīng)力匯總 MPa

由表2的實測數(shù)據(jù)和圖11可以看出,16m先張梁在放張過程中橫向有較可觀的拉應(yīng)力,很好地解釋了先張空心板梁底板容易出現(xiàn)縱向裂縫的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)16 m先張梁在放張過程中,底板橫向傳感器讀數(shù)確實是受拉,并且利用實驗室所測彈性模量計算的拉應(yīng)力值還比較大,很好地解釋了先張梁底板容易出現(xiàn)縱向裂縫的問題。

(2)找到了先張梁放張過程中關(guān)鍵截面的空間應(yīng)力變化規(guī)律,可為該類型橋梁的設(shè)計提供參考。

(3)建議設(shè)計該型式先張梁時,增加底板的橫向鋼筋數(shù)量或增加鋼筋直徑,并增加底板保護層的厚度,建議設(shè)計單位增加橫向拉應(yīng)力驗算環(huán)節(jié)來防止先張梁底板開裂問題。

[1]張開銀,鄒曉軍.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測試技術(shù)[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2003,27(2):174-177.

[2]張世輝,李亞東.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段應(yīng)力測試分析[J].四川建筑,2007,27(4):161-162.

[3]向木生,田曉彬.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測試技術(shù)[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2001,25(3):266-269.

[4]交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG D 62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.