預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋底板空間折角效應(yīng)研究★

張冬冬 趙啟林 黃亞新

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁橋由于其受力合理、結(jié)構(gòu)剛度大、跨徑較大、線形美觀、橋面行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但是，部分橋梁在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，箱梁底板接縫處(尤其是跨中合龍段附近接縫處)出現(xiàn)多種形式的縱向裂縫，現(xiàn)已成為比較常見(jiàn)的橋梁病害。

關(guān)于箱梁底板接縫處縱向裂縫的成因，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了相關(guān)的研究［1-8］。但是這些研究基本上都是從施工誤差角度出發(fā)，而未考慮施工時(shí)結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造的影響，并且其研究對(duì)象都局限于合龍段，其結(jié)論普遍認(rèn)為只是由于合龍段施工誤差導(dǎo)致鋼束定位成折線形，從而導(dǎo)致折點(diǎn)處應(yīng)力集中。實(shí)際上，除底板接縫段接縫處，即使避免了合龍段鋼束定位的施工誤差，合龍段及其附近梁段接縫處也會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫，這說(shuō)明應(yīng)從其他方面而非僅僅從合龍段鋼束定位的施工誤差因素來(lái)考慮接縫處縱向裂縫的成因。

本文從梁段底板接縫處應(yīng)力傳遞機(jī)理出發(fā)，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0數(shù)值模擬方法來(lái)對(duì)箱梁底板空間折角效應(yīng)作一定性分析，以證明箱梁自重效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)引起的空間折角效應(yīng)是底板接縫處縱向裂縫的重要因素。

1 箱梁接縫處縱向裂縫成因分析

連續(xù)箱梁橋底板在設(shè)計(jì)階段縱向一般呈拋物線型布置，箱梁梁段底板及底板預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)中是平滑過(guò)渡的，但在實(shí)際懸澆施工中，是通過(guò)多段直線來(lái)模擬曲線，這樣底板在縱向梁段接縫處存在很多的折角(見(jiàn)圖1)。

圖1 梁段接縫處示意圖

底板折角效應(yīng)是指箱梁受到預(yù)應(yīng)力以及自重作用時(shí)，由于底板與頂板厚度較薄，底板縱向應(yīng)力沿板的長(zhǎng)度方向流動(dòng)，在底板折角位置盡管應(yīng)力值相等，但應(yīng)力的方向不一致，無(wú)法形成自平衡，于是在折角位置形成類似于預(yù)應(yīng)力徑向力的分力作用q(見(jiàn)圖 2)，其中，q=q1sinθ1－ q2sinθ2，導(dǎo)致底板產(chǎn)生豎向的形變，而這種豎向變形受到腹板約束作用在橫向的分布是不一致的，從而形成了腹板位置豎向變形小、底板中間位置變形大的空間折角效應(yīng)(見(jiàn)圖3)。

圖2 空間折角效應(yīng)應(yīng)力傳遞途徑

圖3 跨中底板接縫處空間變形

2 ANSYS有限元建模

2.1 模型參數(shù)

本文變高度實(shí)體模型的建立依托于泰州長(zhǎng)江公路大橋夾江大橋夾江左汊主橋，它為跨徑(87.5+3×125+87.5)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，梁體采用變高度單箱單室直腹板截面。125 m跨中支點(diǎn)處梁高7.5 m，兩側(cè)梁高從距主墩中心2.0 m處開(kāi)始在55.5 m長(zhǎng)度內(nèi)按圓曲線變化到4 m，其他梁段梁高均為4 m。箱梁頂板寬16.0 m;底板寬7.5 m;頂板厚度為25cm，中支點(diǎn)兩側(cè)變高度梁段底板厚度按圓曲線由28cm變化到100cm，其他梁段底板厚度一般為28cm～60cm;腹板厚度為50cm～100cm，由跨中到支點(diǎn)按折線變化。

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力采用19φs15.2規(guī)格的鋼絞線束。鋼束張拉錨下控制應(yīng)力采用σcon=0.74fpk=1376.4 MPa。波紋管直徑為100mm。其底板預(yù)應(yīng)力鋼束如圖4所示。

圖4 箱梁跨中底板預(yù)應(yīng)力鋼束立面布置圖

2.2 ANSYS建模

采用大型通用有限元程序ANSYS10.0，能夠正確反映底板束對(duì)箱梁的作用效應(yīng)及自重效應(yīng)。

分別建立兩種實(shí)體模型，其中模型一為變高度箱梁，選取前述實(shí)橋主跨跨中92 m(跨中10 m為直線段)梁段(見(jiàn)圖5a));模型二為等高度箱梁，梁高為4 m，其他橫截面參數(shù)與模型一相同(見(jiàn)圖5b))。對(duì)上述兩種模型，分別在兩種工況下進(jìn)行建模與計(jì)算:工況1不計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只計(jì)自重作用;工況2不計(jì)自重作用，只計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只選取底板預(yù)應(yīng)力鋼束中的一對(duì)鋼束(最長(zhǎng)索)進(jìn)行分析。

圖5 梁段實(shí)體模型

混凝土采用Soild45實(shí)體線彈性單元;采用初始應(yīng)變法來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束單元選用Link8;網(wǎng)格劃分采用六面體映射網(wǎng)格劃分模式，整個(gè)模型中底板網(wǎng)格劃分較密，以便能較精確地反映底板和實(shí)際工作情況，而其他位置則采用了較稀疏的網(wǎng)格(見(jiàn)圖6);約束為一端固支，一端鉸支。設(shè)縱橋向?yàn)閆方向，豎橋向?yàn)閅方向，橫橋向?yàn)閄方向。

圖6 橫截面網(wǎng)格劃分

錨固力按一束鋼束(最長(zhǎng)索)作用時(shí)進(jìn)行加載，施加一集中力Np=4745.43 kN，按實(shí)際錨固位置進(jìn)行加載。

3 結(jié)果分析

分別提取8 m～82 m梁段底板底緣中點(diǎn)沿橋縱方向的橫向應(yīng)力，分別在兩種工況下對(duì)其趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7，圖8所示。

由以上趨勢(shì)對(duì)比可得出，在預(yù)應(yīng)力和自重作用下，等高度和變高度箱梁底板底緣中點(diǎn)處的橫向應(yīng)力沿橋縱向分布的趨勢(shì)明顯不一致。其中等高度箱梁的變化趨勢(shì)比較平緩，而且數(shù)值也比較小;變高度箱梁橫向應(yīng)力的數(shù)值比較大，而且趨勢(shì)變化很大，尤其是在跨中合龍段折角處落差很大?？梢员砻?，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和自重引起的底板折角效應(yīng)會(huì)造成梁段接縫處橫向應(yīng)力的突變，其中自重引起的折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)力引起的折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于大跨徑變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固力和箱梁自重作用下，接縫處會(huì)產(chǎn)生空間折角效應(yīng)，使得橫向正應(yīng)力過(guò)大。其中自重引起的空間折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)鋼束錨固力引起的空間折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

圖7 鋼索錨固力作用下箱梁底板底緣中點(diǎn)橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢(shì)

圖8 自重作用下箱梁底板底緣中點(diǎn)橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢(shì)

2)在梁段所有的接縫處中，主跨跨中合龍段附近的空間折角效應(yīng)最明顯。合龍段的縱向裂縫不僅是合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束定位不準(zhǔn)確而造成的應(yīng)力集中，而且錨固力和自重引起底板空間折角效應(yīng)也是造成合龍段縱向裂縫的重要因素。

3)連續(xù)箱梁橋梁高的變化盡可能采用較平緩的曲線，以盡量減小在懸臂澆筑施工中接縫處的折角，從而減小接縫處的空間折角效應(yīng)。

4)應(yīng)盡可能的減小梁體自重，使結(jié)構(gòu)變得輕型化;在保證結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力合理的情況下，適當(dāng)提高合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束的配束，并對(duì)底板所有的預(yù)應(yīng)力束的布置進(jìn)行優(yōu)化。

5)橫隔梁可以增強(qiáng)底板的橫向抗彎剛度，降低橫向彎曲導(dǎo)致的底板橫向應(yīng)力，因此在跨中設(shè)置一定數(shù)量的橫隔梁是必要的。而且橫隔梁適合設(shè)置在合龍段的接縫位置，這樣也有利于控制錨固力引起的空間折角效應(yīng)。

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