預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫成因及受力特性分析

鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫成因及受力特性分析

鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：文章結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋加固改造設(shè)計(jì)，運(yùn)用大型有限元軟件Ansys、橋梁博士3.1，對(duì)該橋縱向整體結(jié)構(gòu)以及局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，從理論上分析該橋底板以及腹板開(kāi)裂的原因，從而為同類(lèi)型橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋；裂縫分析；結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析；橫向計(jì)算分析

1項(xiàng)目概況

某淮河大橋主橋?yàn)槿缧备拱遄兘孛孢B續(xù)梁橋,跨徑布置為65 m+98 m+65 m,主梁頂板全寬為20.5 m,屬于單箱單室結(jié)構(gòu)。2015年2月對(duì)該橋進(jìn)行特殊監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)主梁跨中區(qū)域底板以及腹板均存在不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面以及裂縫分布示意,如圖1、圖2所示。

圖1　主梁原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

圖2　主梁跨中區(qū)域底板及腹板開(kāi)裂分布

由圖2可見(jiàn),主橋中跨合龍段右側(cè)12#塊以及左側(cè)11#塊底板出現(xiàn)橫向裂縫,同時(shí)腹板在跨中右側(cè)9#～左側(cè)8#均出現(xiàn)大量斜向裂縫,但支點(diǎn)附近腹板卻未出現(xiàn)斜向裂縫。

2裂縫成因分析

2.1主應(yīng)力計(jì)算公式

由文獻(xiàn)[1-2]可知主應(yīng)力計(jì)算公式為

對(duì)于主梁跨中截面腹板處,σcy為腹板豎向壓應(yīng)力,主要靠豎向精軋螺紋鋼預(yù)拉力提供,τ剪力值在跨中基本為0,因此,主梁跨中區(qū)域腹板處主應(yīng)力計(jì)算值主要與豎向壓應(yīng)力σcy和縱向受力σcx有關(guān);對(duì)于主梁底板處主應(yīng)力,主要與縱橋向σcx和橫橋向應(yīng)力σcy有關(guān),即此時(shí)σcy為主梁底板橫橋向應(yīng)力。

2.2主梁縱橋向受力分析

根據(jù)主梁縱向預(yù)應(yīng)力損失試算,全橋縱向預(yù)應(yīng)力損失為17.5%左右,豎向預(yù)應(yīng)力損失約為40%,在此基礎(chǔ)上,對(duì)全橋進(jìn)行整體計(jì)算,則在組合Ⅱ作用下,主梁上、下緣最小正應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3所示,主梁主拉應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4所示。

圖3　主梁上、下緣最小正應(yīng)力包絡(luò)圖

圖4　主梁主拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖3、圖4可見(jiàn),主梁實(shí)際受力狀態(tài)為跨中區(qū)域部分區(qū)域完全處于受拉狀態(tài),與主梁實(shí)際病害現(xiàn)象基本相符,且此時(shí)主梁主拉應(yīng)力在跨中區(qū)域要明顯大于支點(diǎn)和L/4區(qū)域[3]。如對(duì)全橋施加體外預(yù)應(yīng)力,調(diào)整主梁跨中區(qū)域最小正應(yīng)力至受壓狀態(tài),如圖5所示,則此時(shí)主梁主拉應(yīng)力如圖6所示。

圖5　短期效應(yīng)組合下主梁上下緣最小正應(yīng)力

圖6　短期效應(yīng)組合下主梁主拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖5、圖6可見(jiàn),此時(shí)跨中區(qū)域主拉應(yīng)力大幅度降低,主梁跨中區(qū)域主應(yīng)力的大小主要與主梁縱向受力σx狀態(tài)有關(guān),且為主導(dǎo)因素,豎向預(yù)應(yīng)力σy的大小僅僅為次要因素。

2.3主梁橫向底板局部受力分析

對(duì)于底板,主梁主應(yīng)力計(jì)算應(yīng)與縱向應(yīng)力σx以及橫向應(yīng)力σy有關(guān),且σx仍起主要作用,橫向預(yù)應(yīng)力所起權(quán)重要大于腹板處對(duì)應(yīng)豎向預(yù)壓應(yīng)力所起權(quán)重,即當(dāng)?shù)装甯拱彘g距過(guò)大,底板橫向拉應(yīng)力σy較大時(shí),底板主拉應(yīng)力一定也較大。該淮河橋?yàn)閱蜗鋯问医Y(jié)構(gòu),底板凈寬最大達(dá)到9.075 m,主梁橫向應(yīng)力最大達(dá)到3 MPa,此時(shí)主梁底板主應(yīng)力明顯較大,特別是與腹板交界處,這與該橋底板在與腹板交界處出現(xiàn)大量斜向裂縫相符。

3橫向受力分析

3.1剪力滯效應(yīng)分析

剪力滯在結(jié)構(gòu)工程中是一個(gè)普遍存在的力學(xué)現(xiàn)象,在某一局部范圍內(nèi),剪力所能起的作用有限,所以正應(yīng)力分布不均勻,把這種正應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)作剪力滯后[4-5]。剪力滯后效應(yīng)在T型、工型和閉合薄壁結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)得較為典型。當(dāng)剪力滯系數(shù)λ>1時(shí)是正的剪力滯;當(dāng)λ<1時(shí)是負(fù)的剪力滯[6-7],如圖7所示。

該橋原設(shè)計(jì)箱梁頂板及底板剪力滯一般在1.3左右,如改為單箱雙室結(jié)構(gòu),箱梁腹板最大凈距由9.07 m降為6.2 m左右,則箱梁頂?shù)装寮袅禂?shù)大幅降低,如圖8、圖9所示。頂、底板剪力滯系數(shù)最大分別降為1.07和1.03,因此,合理設(shè)計(jì)箱梁斷面時(shí),不但要考慮抗剪因素,同時(shí)頂?shù)装寮袅禂?shù)也應(yīng)作為控制因素之一。

圖7　箱梁剪力滯效應(yīng)

圖8　箱梁頂板剪力滯系數(shù)

圖9　箱梁底板剪力滯系數(shù)

3.2橫向受力近似有限元模擬分析

如圖10所示,主梁橫橋向計(jì)算通常采用橫向框架模型和實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[8-9],根據(jù)該橋主梁2種模型自重荷載作用下計(jì)算結(jié)果對(duì)比,L/4處主梁框架模型計(jì)算結(jié)果為實(shí)體計(jì)算模型的0.91倍左右(除實(shí)體模型局部點(diǎn)外),吻合性較好,但對(duì)于跨中截面,框架模型計(jì)算結(jié)果偏小,吻合性較差。

圖10　箱梁頂板不同計(jì)算模型對(duì)比圖

4結(jié)論

(1) 梁橋設(shè)計(jì)時(shí),豎向預(yù)應(yīng)力作用最大可按照60%考慮,同時(shí)主梁在跨中區(qū)域可忽略豎向預(yù)應(yīng)力的作用。

(2) 對(duì)于服役多年梁橋,主梁裂縫檢測(cè)時(shí)應(yīng)特別注意跨中以及L/4區(qū)域主梁裂縫的發(fā)展,當(dāng)斷面腹板總厚度占總厚度比例較小時(shí),即箱梁腹板凈距較大時(shí),跨中區(qū)域出現(xiàn)腹板斜裂縫的幾率要比支點(diǎn)大,且該處也是最易忽略之處。

(3) 跨中區(qū)域主梁主拉應(yīng)力超限時(shí),應(yīng)首先考慮調(diào)整主梁縱橋向受力狀態(tài),方可改變?cè)搮^(qū)域的主應(yīng)力受力狀態(tài),僅僅通過(guò)施加豎向預(yù)壓力無(wú)法達(dá)到減小主應(yīng)力目的,且效果甚微。

(4) 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),抗剪、抗彎一般作為主梁設(shè)計(jì)的主要控制因素,同時(shí)頂、底板剪力滯系數(shù)也應(yīng)作為控制因素之一。一般控制剪力滯系數(shù)在1.1以內(nèi),基本合理,即此時(shí)頂、底板受力基本均勻。

(5) 主梁橫橋向計(jì)算如采用框架結(jié)構(gòu)模型時(shí),計(jì)算結(jié)果在跨中區(qū)域與實(shí)體模型吻合性較差,但在L/4區(qū)域吻合性較好,基本為實(shí)體模型對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果的0.91倍左右[8-10]。

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收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-06

作者簡(jiǎn)介：鄭國(guó)華(1975-)，男，安徽東至人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司高級(jí)工程師．

中圖分類(lèi)號(hào)：U441.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0175-03