■李嘉維
(陽光學(xué)院,福州350015)
預(yù)應(yīng)力混凝土T梁連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫分析
■李嘉維
(陽光學(xué)院,福州350015)
針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁剛構(gòu)橋的主梁裂縫的現(xiàn)狀,結(jié)合精細(xì)有限元模型和空間應(yīng)力分布狀態(tài)裂縫成因、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。首先介紹了橋梁開裂的基本情況,其次結(jié)合環(huán)境振動測試建立了3×40m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁剛構(gòu)橋的的基準(zhǔn)有限元模型。最后,對橋梁的開裂原因及其對當(dāng)前使用狀態(tài)的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明,橋梁開裂由溫度和正、負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力共同作用引起,溫度應(yīng)力是縱向開裂的主要原因,應(yīng)對橋梁進(jìn)行加固,并進(jìn)行后續(xù)觀察。
T梁連續(xù)剛構(gòu)橋基準(zhǔn)有限元模型裂縫成因溫度預(yù)應(yīng)力
表面開裂是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)常見的病害,也是橋梁工作狀態(tài)的最直觀的表現(xiàn)?;炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)的病害分析是進(jìn)行橋梁安全性能評估的基礎(chǔ)工作,是進(jìn)行維修或加固的依據(jù)[1-2]。橋梁的裂縫分為結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的裂縫,引起橋梁病害的原因也非常多,包括施工階段的原因和運(yùn)營的荷載作用等,而且裂縫的產(chǎn)生原因經(jīng)常多方面綜合作用[3-4]。目前,裂縫分析的方法很多,主要有基于理論公式的方法和基于有限元的空間應(yīng)力狀態(tài)分析的方法,其中后一種方法由于對應(yīng)力的準(zhǔn)確分析在橋梁結(jié)構(gòu)的開裂原因分析中得到了廣泛[5-9]。預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁剛構(gòu)橋由于固結(jié)且存在負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力,其受力狀態(tài)與一般連續(xù)梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剛構(gòu)橋都有所不同,且平面應(yīng)力狀態(tài)難以分析。因此,結(jié)合一座預(yù)應(yīng)力T梁連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁病害,結(jié)合空間有限元模型和應(yīng)力分析,對其病害原因進(jìn)行分析,以利于后續(xù)維修加固。
1.1 橋梁概況
該橋上部結(jié)構(gòu)采用多聯(lián)3×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁連續(xù)剛構(gòu)橋,每跨橋由5片T梁組成。其中,16號,17號,18號橋墩為3.0×6.5m的矩形薄壁式橋墩,平均墩高分別為52.75m,52.92m和49.44m,采用C40混凝土,圖1為該橋照片。
1.2 外觀檢查
由于該橋施工時變更較多,梁體及下部結(jié)構(gòu)可能存在不同程度的缺陷,主要病害為橋梁主梁裂縫。其中,T梁梁體出現(xiàn)未超限寬縱向裂縫10條,縫寬0.10~0.18mm,縫長48.3m,主要分布在T梁兩側(cè)翼板上;超限寬縱向裂縫11條,縫寬0.20~0.30mm,縫長97.9m,主要分布在T梁兩側(cè)翼板上。出現(xiàn)未超限寬斜向裂縫3條,縫寬0.10~0.18mm,縫長3.1m,主要分布在T梁兩側(cè)翼板上;超限寬斜向裂縫3條,縫寬0.20~0.24mm,縫長2.9m,主要分布在T梁兩側(cè)翼板上。圖2為裂縫照片。
圖1 某大橋照片
圖2 梁體典型裂縫
通過環(huán)境振動測試和模態(tài)分析,共得到豎向前四階,橫向前兩階和縱向一階的頻率和振型,見表1,并采用模態(tài)保證率MAC指標(biāo)表示的實(shí)測動力特性和計算動力特性的相關(guān)程度[10]。進(jìn)一步,采用ANSYS軟件建立有限元模型,全橋有限元模型共有單元22360個,節(jié)點(diǎn)35375個,有限元模型見圖3。
在有限元模型中,全橋采用Solid45單元模擬,用Combin14單元模擬橋兩端支座。并通過實(shí)測頻率對模型進(jìn)行修正[11],得到基本材料特性。其中,T梁、橫隔板、現(xiàn)澆混凝土C55混凝土,彈性模量E=4.26×104MPa,密度為2.55×103kg/m3,;承臺C30混凝土,彈性模量E=3×104MPa,密度為2.55×103kg/m3;橋面板、橋墩墩身C40混凝土彈性模量E=3.9×104MPa,容重密度為2.55×103kg/m3。根據(jù)實(shí)際位置施加約束,對主橋橋墩承臺底面節(jié)點(diǎn)固結(jié),模擬實(shí)際的固結(jié)狀況。在橋梁兩端截面的節(jié)點(diǎn)豎向固結(jié)同時添加縱向和橫向彈簧約束,經(jīng)修正,縱向彈簧剛度取1.9× 106N/m,橫向彈簧剛度取8.0×108N/m;橋面伸縮縫通過采用縱向,橫向彈簧單元模擬,縱向彈簧剛度取3.0×104N/m,橫向彈簧剛度取1.0×104N/m。
修正后,實(shí)測和計算頻率吻合較好,誤差基本在5%以內(nèi),從MAC計算結(jié)果來看,實(shí)測和計算的振型吻合良好(見表1)。說明所建立的模型能夠反映橋梁的當(dāng)前狀態(tài),可以進(jìn)一步用于橋梁的病害分析。
表1 實(shí)測與計算動力特性
由于該橋的裂縫主要出現(xiàn)在翼緣板,因此分析實(shí)際荷載作用下翼緣板的應(yīng)力分布,并對可能的裂縫寬度進(jìn)行分析。對兩端、跨中的應(yīng)力進(jìn)行分析,應(yīng)變提取節(jié)點(diǎn)見圖4。
3.1 縱向應(yīng)力分析
考慮車輛荷載、自重和預(yù)應(yīng)力作用,T梁縱向處于受壓狀態(tài),因此T梁翼緣板兩側(cè)將不會出現(xiàn)橫向開裂,這與實(shí)際裂縫觀察一致。
圖3 有限元模型空間圖
圖4 計算截面應(yīng)變計算節(jié)點(diǎn)布置圖
3.2 翼緣板橫向應(yīng)力計算
3.2.1 自重和活載作用翼緣板橫向應(yīng)力計算
根據(jù)計算結(jié)果,16、17號墩墩頂兩側(cè)1-5號T梁兩側(cè)翼緣板在自重及車道荷載組合作用下橫向應(yīng)變基本都為壓應(yīng)變,不會超過C55混凝土極限抗拉應(yīng)變(77.2με);考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng),因此T梁翼緣板兩側(cè)將不會出現(xiàn)開裂,說明T梁翼緣板兩側(cè)縱向裂縫,不是由自重及活載引起的。
3.2.2 負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋作用翼緣板橫向應(yīng)力計算
在布置在墩頂兩側(cè)的預(yù)應(yīng)力筋的作用下,在翼緣板頂部和底部均會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)變。其中,梁底最大拉應(yīng)變可達(dá)到19.5με,小于C55混凝土極限抗拉強(qiáng)度(77.2με),可見負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋的作用可以使得翼板底部產(chǎn)生橫向應(yīng)變,但其單一作用并不能導(dǎo)致相應(yīng)位置的混凝土縱向開裂,不是產(chǎn)生混凝土縱向開裂的主要原因。
3.2.3 正彎矩預(yù)應(yīng)力筋作用翼緣板橫向應(yīng)力分析
由于正彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力的的錨固在T梁的兩側(cè),同時由于橋梁平面彎曲。所以,在正彎曲區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的作用下,在靠近墩頂?shù)囊砭壈屙敳亢偷撞恳捕紩a(chǎn)生橫向拉應(yīng)變。其中,翼板底最大拉應(yīng)變可達(dá)到45.7με,雖小于C55混凝土極限抗拉強(qiáng)度(77.2με),但拉應(yīng)變較大,是產(chǎn)生混凝土縱向開裂的主要原因之一。通過應(yīng)力分布了解實(shí)際橫向應(yīng)力的分布狀態(tài),,中跨頂板橫向基本已受拉為主,而翼緣板底部的橫向應(yīng)力分布則呈現(xiàn)出靠近墩頂位置以受拉為主,跨中兩側(cè)位置則以受壓為主。
3.2.4 豎向溫度梯度效應(yīng)翼緣板橫向應(yīng)力分析
在豎向溫度梯度效應(yīng)作用下,翼緣板下表面將產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力,如圖5所示。其中,紅色區(qū)域表示橫向應(yīng)變超過66.8με的區(qū)域。豎向溫度梯度效應(yīng)作用下在最大橫向應(yīng)變達(dá)到91.3με,已超過C55混凝土極限抗拉強(qiáng)度(77.2με),表明混凝土將會開裂,且靠近縱梁兩側(cè),即梁和翼緣板交接處拉應(yīng)力更大??梢哉f,豎向溫度梯度效應(yīng)作用是翼緣板下緣開裂的最主要的原因,由此產(chǎn)生的裂縫分布也與檢測的結(jié)果相一致。
圖5 豎向溫度梯度效應(yīng)作用下橫向應(yīng)力云圖
3.2.5 混凝土收縮作用翼緣板橫向應(yīng)力計算
以整體降溫的方式模擬混凝土收縮作用引起的翼緣板橫向應(yīng)力,計算得到由于混凝土收縮引起的翼緣板橫向應(yīng)力最大不超過3με,受力很小。
3.3 基于實(shí)際應(yīng)力分布的裂縫寬度計算
根據(jù)應(yīng)力分析,引起該橋梁開裂的主要原因是豎向溫差,正彎矩和負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力作用也會差生橫向的應(yīng)力。因此,對這三種作用下的縱向裂縫寬度進(jìn)行計算。
根據(jù)《公路橋規(guī)》[12],最大裂縫寬度計算公式如下:
所以,Wfk=1.4×1.45×1×(390.2×10-6)×123.53=0.098mm計算的裂縫寬度小于實(shí)際觀察到的裂縫寬度,主要原因是計算裂縫寬度值是基于設(shè)計理想狀態(tài)的,而實(shí)際上結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度存在偏差、混凝土施工質(zhì)量及其缺陷、預(yù)應(yīng)力筋張拉過大及部分預(yù)應(yīng)力筋的偏位、溫度梯度大于規(guī)范溫度梯度等,都會導(dǎo)致計算裂縫寬度偏小。
(1)某T型梁剛構(gòu)連續(xù)梁橋所檢查的3跨T梁,梁體裂縫較多,以縱向開裂為主,且大部分超限寬0.2mm,應(yīng)及時修復(fù)。
(2)利用環(huán)境振動測試結(jié)果對橋梁有限元模型進(jìn)行參數(shù)修正后,該T型梁剛構(gòu)連續(xù)梁橋理論模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果比較吻合,表明所采用的計算參數(shù)和邊界條件是基本正確的,修正后的有限元模型能夠基本反映橋梁當(dāng)前的真實(shí)狀態(tài)。
(3)綜合考慮橋墩的偏位作用、自重、汽車荷載、正、負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力作用、豎向溫度梯度作用以及混凝土收縮徐變做作用,認(rèn)為造成T梁翼緣板底面縱向裂縫的最主要原因是豎向溫度梯度作用,其次為正、負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力作用,三者產(chǎn)生的最大橫向拉應(yīng)變分別為91.3με,45.7με和19.5με,在三者共同作用下混凝土應(yīng)變超過了C55混凝土極限抗拉應(yīng)變77.2με,且根據(jù)應(yīng)力分布情況分析,產(chǎn)生的裂縫是實(shí)際觀察到的裂縫基本一致。
(4)計算的裂縫寬度為0.098mm,小于實(shí)際觀察到的裂縫寬度,主要原因是計算裂縫寬度值是基于設(shè)計理想狀態(tài)的,而實(shí)際上結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度存在偏差、混凝土施工質(zhì)量及其缺陷、溫度梯度大于規(guī)范溫度梯度等都可能導(dǎo)致計算裂縫寬度偏小。
[1]陳肇元.混凝土結(jié)構(gòu)安全性耐久性及裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.
[2]周志祥.橋梁加固改造新技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2014.
[3]趙樹青,蘇文明.小半徑曲線箱梁橋梁體裂縫成因分析[J].公路, 2015(8):129-132.
[4]臧巨寶,李文秀,張宏.預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫損傷對其承載力的影響研究[J].中外公路,2016(2):139-144.
[5]章純,鄔谷豐.某鋼筋混凝土斜拉橋裂縫的有限元計算分析[J].建筑科學(xué),2003,19(4):35-38.
[6]徐鎮(zhèn)凱,楊志華,劉瑤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)三維非線性有限元裂縫追蹤計算探討[J].南昌大學(xué)學(xué)報工科版,2007,29(2):171-174.
[7]許鵬飛,王振強(qiáng).基于有限元的鋼筋混凝土矩形板橋裂縫成因分析[J].公路工程,2015(6):229-233.
[8]桂水榮,劉律,萬水,等.簡化建模方法對空心板橋力學(xué)性能的影響[J].公路交通科技,2014,31(12):50-57.
[9]蘇文明.小半徑曲線箱梁橋梁體裂縫成因分析[J].公路,2015(8): 129-132.
[10]任偉新.環(huán)境振動系統(tǒng)識別方法的比較分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,29(6):80-86
[11]李輝,丁樺,結(jié)構(gòu)動力模型修正方法研究進(jìn)展[J],力學(xué)進(jìn)展,2005,35(2):170-180。
[12]JTG D62-2012,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,2012.
福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA12041)和福建省重點(diǎn)交通科技項(xiàng)目