既有裂紋對(duì)主拱圈應(yīng)力的影響分析

【摘要】拱橋是中小跨徑公路橋梁中最常用的一種結(jié)構(gòu)形式，然而，由于材料的老化和結(jié)構(gòu)整體病害、車(chē)輛的超載運(yùn)輸、自然災(zāi)害以及施工養(yǎng)護(hù)方面等原因，導(dǎo)致在役拱橋出現(xiàn)了大量病害，其中，主拱圈存在的結(jié)構(gòu)裂縫較為嚴(yán)重影響到了拱橋的受力性能和耐久性。為切實(shí)有效地評(píng)估橋梁的實(shí)際技術(shù)狀況，本文在深入分析拱頂不同裂紋深度對(duì)于拱橋承載力的影響，基于以上研究，為后續(xù)拱橋加固提供定量依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；加固；既有裂紋；承載力

1、引言

從上世紀(jì) 60～70 年代以來(lái)，我國(guó)的交通建設(shè)面臨新建任務(wù)和舊橋加固改造任務(wù)雙重任務(wù)的重任，因?yàn)樵谝呀?jīng)建成使用的橋梁中，由于材料的老化和結(jié)構(gòu)整體病害、車(chē)輛的超載運(yùn)輸、自然災(zāi)害以及施工養(yǎng)護(hù)方面等原因，導(dǎo)致承載能力不足，使用情況令人擔(dān)憂(yōu)，從而成為舊危橋。面對(duì)數(shù)量縱多，使用范圍極廣的舊危橋，根據(jù)橋梁的重要性和結(jié)構(gòu)易損性的詳細(xì)評(píng)估結(jié)果，拆除重建不僅投資巨大，而且在新建期間社會(huì)會(huì)為之付出更高昂的代價(jià)，所以，力圖通過(guò)加固修復(fù)再使用。綜上所述，舊橋加固將占據(jù)越來(lái)越重要的地位。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)拱橋加固前期裂紋評(píng)估研究數(shù)量相對(duì)較少，本文旨在分析拱圈裂紋對(duì)拱橋承載能力影響，為加固前期提供科學(xué)定量的理論依據(jù)。

2、拱圈計(jì)算模型

2.1 有限元模型建立

模型拱計(jì)算跨徑5m，矢高0.5m，拱肋寬0.4m，拱軸系數(shù)2.24，如圖所示。

裂紋采用切縫處理，長(zhǎng)10mm，寬0.003m，裂縫高度為截面高度0%，30%，45%，60%，75%，90%，裂紋位于拱頂截面，下表面，加載為拱頂集中力加載。

共建立8個(gè)有限元模型，各個(gè)模型參數(shù)如表1所示，裂紋深度為截面高度的百分比。

2.2 模型材料參數(shù)選取

采用ABAQUS內(nèi)自帶的混凝土塑性損傷模型對(duì)加固效率進(jìn)行研究，原拱圈材料為C40混凝土，材料特性選用ABAQUS內(nèi)的Concrete Damaged Plasticity。

參照中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）定義C40混凝土本構(gòu)關(guān)系。有限元模型中材料參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3既有不同深度裂紋理論結(jié)果分析

損傷計(jì)算結(jié)果具體見(jiàn)圖3（例舉30%拱圈截面受損）：

從圖3中可以看出，裂紋周邊有一個(gè)應(yīng)力釋放區(qū)域，裂紋尖端壓應(yīng)力較大。

從數(shù)據(jù)可看出，拱圈截面拉應(yīng)力隨著裂紋開(kāi)裂程度的增大，有下降段釋放能量的過(guò)程，但裂紋超過(guò)60%時(shí)，又開(kāi)始上升，而壓應(yīng)力隨著拱圈裂紋深度的增加，一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與整個(gè)截面有效受壓面積減少呈正相關(guān)。

結(jié)語(yǔ)：

本文在對(duì)主拱圈加固深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合ABAQUS有限元分析軟件中的塑性損傷模型，對(duì)既有裂紋拱圈應(yīng)力水平及承載力進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：

（1）隨著主拱圈開(kāi)裂程度的增加，主拱圈剛度下降明顯；

（2）主拱圈裂紋增大同時(shí)，裂紋周邊拉應(yīng)力存在釋放-增加-釋放的波動(dòng)過(guò)程；

（3）隨主拱圈裂紋增大，主拱圈有效截面損傷增加，主拱圈內(nèi)壓應(yīng)力單向增加。

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