空心板鉸縫的破壞模式及有限元分析

(福州中咨工程咨詢有限公司，福州350001)

空心板鉸縫的破壞模式及有限元分析

■張海

(福州中咨工程咨詢有限公司，福州350001)

本文通過(guò)對(duì)裝配式空心板橋的試驗(yàn)以及有限元模型模擬，旨在分析空心板鉸縫破壞全過(guò)程。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鉸縫破壞分兩個(gè)階段：在鉸縫構(gòu)造開(kāi)裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度一致；隨著荷載增加，鉸縫底部首先開(kāi)裂并逐漸形成通縫，空心板單板開(kāi)裂，此時(shí)單塊空心板撓度趨于不平衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)。針對(duì)裝配式空心板鉸縫的問(wèn)題，對(duì)鉸縫構(gòu)造進(jìn)行建議，為同類工程借鑒參考。

鉸縫試驗(yàn)有限元不均勻分布

1 前言

鉸縫的破壞成為裝配式空心板橋梁最主要的病害形式[1]。裝配式空心板橋梁橫向傳導(dǎo)荷載的關(guān)鍵在于鉸縫，在重載交通、汽車(chē)沖擊荷載等因素影響下，鉸縫會(huì)逐漸發(fā)生破壞，鉸縫橫向傳力能力變?nèi)酰瑢?dǎo)致單板受力現(xiàn)象，從而影響空心板整體受力性能。鉸縫破壞后會(huì)出現(xiàn)許多橋梁病害：鉸縫處滲水泛白、鉸縫處混凝土剝落、單塊板體嚴(yán)重下?lián)系鹊萚2]。本文針對(duì)新空心板標(biāo)準(zhǔn)圖，以一跨8m裝配式空心板橋作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]，分別開(kāi)展試驗(yàn)研究和有限元分析。分析鉸縫在車(chē)輛荷載作用下破壞的全過(guò)程，同時(shí)利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立實(shí)體有限元模型來(lái)模擬鉸縫的破壞的全過(guò)程。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图般q縫破壞模式

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)按照新標(biāo)準(zhǔn)圖集新標(biāo)準(zhǔn)圖的8m鉸接空心板橋作為原型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，共選取三塊空心板組成橋面板模擬試驗(yàn)。設(shè)計(jì)空心板寬度1.24m，高度0.45m，計(jì)算跨徑7.96m，混凝土等級(jí)為C40(包括預(yù)制空心板、鉸縫、橋面鋪裝的混凝土)，鋼筋等級(jí)HRB335級(jí)(包括預(yù)制空心板、鉸縫、橋面鋪裝的鋼筋)?？招陌褰孛鏄?gòu)造、鉸縫構(gòu)造、試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛鏄?gòu)造如圖1～3所示。

圖1 試驗(yàn)梁截面構(gòu)造圖(單位：cm)

圖2 鉸縫構(gòu)造圖(單位：cm)

圖3 鉸接空心板橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M斷面圖(單位：cm)

圖4 鉸縫鋼筋構(gòu)造示意圖

鉸縫鋼筋構(gòu)造示如圖4所示，鉸縫鋼筋包括四種：剪刀鋼筋、縱向鋼筋、底部構(gòu)造鋼筋、預(yù)埋在頂部連接鋼筋(編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#)。1#鋼筋沿縱橋向布置為Φ10@20cm。橋面鋪裝縱橫向鋼筋布置為Φ10@10cm，鋪裝厚度為10cm。在澆筑鉸縫混凝土之前，對(duì)鉸縫處各預(yù)制板連接面進(jìn)行鑿毛清洗處理，在澆筑混凝土之前先用水濕潤(rùn)模板、鉸縫處連接面等接觸面，鉸縫混凝土及橋面鋪裝混凝土一次整體澆筑完成。

由于前軸與后軸的距離大于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目鐝?，在選取荷載時(shí)利用不利荷載布置原則，選取車(chē)輛荷載(公路-Ⅰ級(jí))后兩軸加載。為了便于加載，將車(chē)輛荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載加載方式，利用橡膠支座來(lái)模擬均布荷載。橡膠支座尺寸沿縱橋向?yàn)?00mm，橫橋向?yàn)?00mm。荷載加載距離(中心)縱橋向?yàn)?.4m，橫橋向?yàn)?.8m。試驗(yàn)加載位置示意圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)加載位置示意圖(單位：cm)

針對(duì)空心板的撓度測(cè)量，在各片空心板跨中、3/4跨處布置百分表用來(lái)測(cè)量1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)空心板的撓度。為了了解在試驗(yàn)過(guò)程中1號(hào)、2號(hào)鉸縫在受力狀態(tài)下的張開(kāi)量，布置如圖6所示的百分表，布置地點(diǎn)同樣為空心板跨中、3/4跨處。

圖6 位移測(cè)量布置

試驗(yàn)加載采用連續(xù)加載方式。試驗(yàn)共采用2臺(tái)1200kN的油壓千斤頂，1臺(tái)油泵進(jìn)行同時(shí)加載。橫橋向兩個(gè)加載點(diǎn)通過(guò)加載橫梁進(jìn)行力的分配，在橫梁和反力梁之間布置力傳感器來(lái)控制加載大小。在彈性階段加載大小為預(yù)估加載值的3%進(jìn)行逐級(jí)加載(10kN)，穩(wěn)壓2min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在進(jìn)入非線性階段后，加載大小減半(5kN)，數(shù)據(jù)采集在各數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行采集。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)觀測(cè)到試驗(yàn)現(xiàn)象，記錄下試驗(yàn)破壞過(guò)程并進(jìn)行分析：第一階段，彈性工作階段：兩個(gè)鉸縫表面完好，并未發(fā)現(xiàn)裂縫，同時(shí)鉸縫能均勻傳遞荷載，觀測(cè)到各空心板撓度一致，表明三塊空心板此時(shí)是共同受力的。第二階段，鉸縫開(kāi)裂階段：當(dāng)加載到70kN，即1.0倍車(chē)輛荷載(公路-Ⅰ級(jí))，沿空心板與鉸縫的結(jié)合面跨中底部開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)各空心板撓度基本一致，三塊空心板基本能共同受力。第三階段，鉸縫結(jié)合面形成通縫階段：荷載不斷增加，三塊空心板在跨中位置均出現(xiàn)裂縫并橫向發(fā)展，裂縫沿空心板與鉸縫的結(jié)合面向上及縱橋向擴(kuò)展并形成通縫，荷載為140kN(2.0倍車(chē)輛荷載)，此時(shí)各空心板撓度趨向于不一致?tīng)顟B(tài)。第四階段，單板受力階段：由于鉸縫過(guò)度開(kāi)裂，鉸縫完全退出工作，此時(shí)鉸縫兩側(cè)空心板相對(duì)位移明顯增大(撓度不均勻)，空心板橋進(jìn)入“單板受力”階段。

圖7 各空心板荷載-撓度曲線

圖7為跨中截面和3/4跨截面的空心板荷載-撓度曲線，此圖能表面鉸縫的破壞過(guò)程。整個(gè)加載過(guò)程大致可以分為兩個(gè)階段(彈性階段、彈塑性階段)。彈性階段：在試驗(yàn)加載初期(70kN以前)，三塊空心板荷載-撓度曲線基本吻合，斜率一致，表明三塊空心板共同受力，鉸縫能傳遞橫向荷載。當(dāng)荷載增加至70kN時(shí)，兩個(gè)鉸縫跨中底部出現(xiàn)第一條裂縫，此時(shí)三塊空心板撓度基本一致，表明三塊空心板受力基本相同的。彈塑性階段：當(dāng)荷載達(dá)到80kN時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)空心板的跨中截面底部均出現(xiàn)第一條縱向裂縫，空心板進(jìn)入彈塑性工作階段。此時(shí)三塊空心板跨中底部開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫并向兩側(cè)繼續(xù)發(fā)展，鉸縫裂縫向縱橋向發(fā)展。當(dāng)試驗(yàn)荷載約為300kN時(shí)，鉸縫完全形成通縫并退出工作，三塊空心板底部出現(xiàn)數(shù)量不等的裂縫，撓度不同且出現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)，很明顯單板受力狀態(tài)?？紤]到空心板破壞會(huì)產(chǎn)生不安全因素，停止加載并結(jié)束試驗(yàn)。

圖8為1號(hào)和2號(hào)鉸縫在荷載-橫向張開(kāi)量曲線。從圖中可以看出，在加載初期，橫向張開(kāi)量隨荷載增加呈現(xiàn)出線性發(fā)展趨勢(shì)。在荷載約為70kN時(shí)，鉸縫底部出現(xiàn)第一條裂縫，此后曲線呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且兩個(gè)鉸縫張開(kāi)量大小不一致。

圖8 鉸縫荷載-橫向張開(kāi)量曲線

3 有限元模型及鉸縫破壞模式

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

利用大型有限元軟件ABAQUS建立裝配式空心板全橋模型?？招陌搴豌q縫構(gòu)造混凝土采用C3D8單元模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元來(lái)模擬，鋼筋與混凝土之間關(guān)系、橋面鋪裝與預(yù)制橋面板之間均采用粘結(jié)(tie)來(lái)模擬。混凝土采用混凝土塑性損傷模型以及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》里規(guī)定本構(gòu)模型、鋼筋采用理想彈塑性模型?？招陌寮般q縫構(gòu)造結(jié)合面采用法相軸拉粘結(jié)強(qiáng)度、結(jié)剪切強(qiáng)度、粘結(jié)滑移關(guān)系來(lái)確定。對(duì)于邊界條件，在模型兩端支座處通過(guò)約束位移來(lái)模擬各自支座。有限元加載則通過(guò)ABAQUS里剛性體來(lái)模擬試驗(yàn)時(shí)的橡膠支座[4]。有限元模型如圖9所示。

圖9 裝配式空心板有限元模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析：當(dāng)計(jì)算荷載為75kN(1.07倍車(chē)輛荷載)時(shí)，兩個(gè)鉸縫底部出現(xiàn)第一條裂縫；當(dāng)計(jì)算荷載為85kN(1.21倍車(chē)輛荷載)時(shí)，三塊空心板底部均出現(xiàn)裂縫，同時(shí)鉸縫裂縫向兩端發(fā)展；當(dāng)計(jì)算荷載為199kN(2.84倍車(chē)輛荷載)時(shí)，兩個(gè)鉸縫形成通縫，由于空心板裂縫太多鉸縫破壞導(dǎo)致計(jì)算模型不收斂而停止計(jì)算。

綜合試驗(yàn)結(jié)果以及有限元分析結(jié)果，空心板鉸縫的破壞主要分為以下四個(gè)階段：第一階段：彈性工作階段。此階段鉸縫完好，空心板整體受力好。第二階段：鉸縫開(kāi)裂階段。該階段鉸縫底部發(fā)生開(kāi)裂，裂縫沿空心板與鉸縫的結(jié)合面向上擴(kuò)展。第三階段：鉸縫破壞階段。隨著荷載的增大，鉸縫裂縫形成貫通，鉸縫不能傳遞橫向作用力，導(dǎo)致空心板單體受力。第四階段：?jiǎn)伟迨芰﹄A段。鉸縫破壞后，空心板的受力將大大增強(qiáng)，若不及時(shí)加固處治，則發(fā)生空心板破壞。

因此，裝配式空心板在受力狀態(tài)下首先破壞的是鉸縫，由于鉸縫的傳力被限制而導(dǎo)致空心板橋的受力不均的狀態(tài)，所以裝配式空心板最薄弱的部位是鉸縫。

試驗(yàn)和有限元結(jié)果進(jìn)行綜合，圖10為空心板跨中和3/4截面處試驗(yàn)有限元荷載-撓度曲線。從圖中可以看出，在空心板發(fā)生開(kāi)裂前，試驗(yàn)和有限元值基本一致；在空心板發(fā)生開(kāi)裂后，試驗(yàn)和有限元值之間的存在一定的差別，但整體的變化趨勢(shì)是相同的。

圖11為1號(hào)鉸縫和2號(hào)鉸縫跨中截面處試驗(yàn)有限元荷載-橫向張開(kāi)量曲線。可以看出，在鉸縫開(kāi)裂前跨中截面處的試驗(yàn)和有限元值吻合良好；在鉸縫開(kāi)裂后兩者之間的差別逐步明顯，試驗(yàn)值比有限元值增長(zhǎng)的較快。

綜合試驗(yàn)和有限元結(jié)果，在荷載-撓度對(duì)比曲線及荷載-橫向張開(kāi)量基礎(chǔ)上，得到以下結(jié)論：在鉸縫構(gòu)造開(kāi)裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度一致；鉸縫開(kāi)裂并形成通縫后導(dǎo)致鉸縫傳力性能明顯下降，空心板單板受力情況比較明顯，同時(shí)由于空心板不均勻受力，使得各板的撓度呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

4 構(gòu)造建議

裝配式橋梁鉸縫在設(shè)計(jì)時(shí)，是允許鉸縫出現(xiàn)輕微開(kāi)裂、轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)傳遞橫向荷載，鉸縫也成為裝配式空心板橋的最不利位置，試驗(yàn)有限元也印證了鉸縫先于空心板破壞。在設(shè)計(jì)施工時(shí)可以通過(guò)構(gòu)造措施來(lái)延緩鉸縫的開(kāi)裂(不能限制鉸縫開(kāi)裂)，保證裝配式橋梁整體受力性能。鉸縫構(gòu)造措施主要考慮以下幾個(gè)方面：鉸縫構(gòu)造形式、鉸縫內(nèi)填料、鉸縫與空心板結(jié)合面剛度等?？梢詮你q縫構(gòu)造形式來(lái)著手增強(qiáng)鉸縫的強(qiáng)度。

圖10 空心板荷載-撓度曲線對(duì)比圖

圖11 荷載-鉸縫橫向張開(kāi)量曲線

圖12 鉸縫構(gòu)造示意圖

圖12(a)(b)(c)給出的是三種不同鉸縫構(gòu)造形式，他們的主要區(qū)別在于結(jié)合面構(gòu)造鋼筋與鉸縫之間的錨固方式，這三類構(gòu)造鋼筋均可以改善鉸縫受力性能[5]，其中鉸縫構(gòu)造(三)的方案優(yōu)于前兩個(gè)方案。構(gòu)造鋼筋錨固于空心板內(nèi)，同時(shí)延伸至橋面板能在一定程度上將空心板、鉸縫和橋面鋪裝三部分結(jié)合起來(lái)，形成整體受力，延緩鉸縫開(kāi)裂。

5 結(jié)語(yǔ)

在鉸縫構(gòu)造開(kāi)裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度較為一致；鉸縫構(gòu)造開(kāi)裂后導(dǎo)致鉸縫傳力性能下降，同時(shí)由于空心板發(fā)生開(kāi)裂，各塊空心板撓度出現(xiàn)非線性變化且不一致。鉸縫是空心板橋的薄弱環(huán)節(jié)，建議采用一些構(gòu)造措施延緩鉸縫在荷載作用下形成通縫，保證鉸縫與空心板整體受力基本一致。

[1]陳長(zhǎng)萬(wàn),陳映貞.裝配式空心板橋鉸縫局部受力性能研究[J].公路交通技術(shù),2016,(32):96-100.

[2]趙素鋒.鉸接空心板梁橋鉸縫病害機(jī)理分析與防治措施[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010(4)：15-17.

[3]王渠,吳慶雄,陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2014,(31):115-120.

[4]陳悅馳,吳慶雄,陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式有限元分析[J].工程力學(xué),2014,(31):51-57.

[5]種永峰.空心板梁鉸接縫模型試驗(yàn)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.