倒箱形截面門(mén)式框架斜橋頂板底面斜向裂縫成因分析

盧江波, 方鴻, 戴小冬

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

1 工程概況

某兩跨倒箱形截面門(mén)式框架鋼筋混凝土斜橋，跨徑布置為2×18.3 m，如圖1所示，斜交角25°，門(mén)式框架結(jié)構(gòu)凈高8.0 m，頂部建筑高度為4.97～6.15 m；下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)，其中橋臺(tái)位置柱直徑1.2 m，墩柱直徑1.0 m，樁基礎(chǔ)分別采用1.2 m和1.0 m人工挖孔樁；主梁采用倒箱形鋼筋混凝土截面，其中底板設(shè)置縱橫向混凝土加勁肋；橋面布置為7 m行車道，行車道兩側(cè)各布置5.15 m綠化帶、0.35 m護(hù)欄以及1.5 m人行道。主梁與下部橋墩固結(jié)。

圖1 門(mén)式框架斜橋橋型布置圖(單位：cm)

門(mén)式框架斜橋在通車運(yùn)營(yíng)2年后，1#墩左側(cè)5 m范圍內(nèi)及右側(cè)8 m范圍內(nèi)頂板底面出現(xiàn)斜向裂縫(裂縫位置有白色結(jié)晶物生成)，如圖2所示。考慮該橋?yàn)樾睒?，空間效應(yīng)較為顯著，采用通用有限元軟件Ansys 15.0建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行分析，以期得到頂板底面斜裂縫產(chǎn)生的確切原因，為該橋的維修加固提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 頂板底面裂縫分布(單位：cm)

2 計(jì)算模型建立

(1)有限元模型建立

門(mén)式框架斜橋?qū)嶓w有限元模型如圖3所示，樁底固結(jié)，模型尺寸均按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果給定。斜橋上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用分離式建模方式，混凝土和鋼筋采用不同的單元處理，其中混凝土采用Solid45實(shí)體單元(圖3)，鋼筋采用Link8 3D桿單元模擬，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。底板翼緣上方的預(yù)制板、磚墻以及植被綠化等以荷載形式進(jìn)行模擬。

圖3 門(mén)式框架實(shí)體有限元模型

鋼筋與混凝土的材料特性按JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值，材料特性如表1所示。

表1 混凝土及鋼筋的材料特性

(2)計(jì)算參數(shù)

實(shí)體有限元模型中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：

恒載：結(jié)構(gòu)自重+底板翼緣上方的預(yù)制板、磚墻、綠化帶+橋面二期鋪裝以及人行道板、欄桿等。

活載：城-B級(jí)車輛荷載+人群荷載。

梯度溫度：按相關(guān)規(guī)范取值，梯度溫升時(shí)，橋面板表面的最高溫度T1=14 ℃，橋面板下100 mm位置T2=5.5 ℃；梯度溫降為正溫差乘以-0.5。

墩臺(tái)沉降：根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，無(wú)明顯跡像表明墩臺(tái)出現(xiàn)沉降，因此，計(jì)算中不考慮墩臺(tái)沉降。

整體溫升/溫降：±25 ℃。

根據(jù)以上各單項(xiàng)荷載作用下，1#墩位置主梁頂板底部的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，確定1#墩位置頂板底面受力最不利荷載組合為：恒載+活載+整體溫降25 ℃+梯度溫升。

3 計(jì)算結(jié)果分析

最不利組合作用下頂板底面主拉應(yīng)力及其方向如圖4所示，黑色區(qū)域混凝土主拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(2.4 MPa)，但是這些區(qū)域與裂縫實(shí)際分布區(qū)域(圖2)不符，而且根據(jù)主拉應(yīng)力方向繪制的可能裂縫方向也與實(shí)際裂縫方向不符，此外，1#墩附近頂板底面主拉應(yīng)力較小，這表明：除恒載、活載、整體溫度以及梯度溫度等作用外，必然存在某個(gè)未考慮到但對(duì)頂板底面應(yīng)力影響很大的作用。

圖4 最不利組合下頂板底面主拉應(yīng)力及其方向

由圖1(b)箱梁橫斷面可以發(fā)現(xiàn)，箱梁腹板與外界被縱向加勁肋、磚墻和預(yù)制板形成的空箱室以及綠化植被隔開(kāi)，考慮到空箱室以及綠化植被的隔熱效果，箱梁在整體升降溫過(guò)程中，箱梁的頂板和腹板之間應(yīng)該存在一個(gè)溫差。

該文取10 ℃溫差進(jìn)行分析，具體為整體溫升時(shí)，頂板升溫25 ℃，腹板升溫15 ℃；降溫時(shí)，頂板降溫25 ℃，腹板降溫15 ℃。新的最不利荷載組合為：恒載+活載+整體溫降(頂板腹板考慮10 ℃溫差)+梯度溫升。

新最不利組合作用下頂板底面主拉應(yīng)力及其方向如圖5所示。由圖5(a)可知：多區(qū)域混凝土主拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(2.4 MPa)，并且1#墩附近區(qū)域主拉應(yīng)力明顯超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大達(dá)到4.19 MPa，而且根據(jù)主拉應(yīng)力方向繪制的可能裂縫方向也與實(shí)際裂縫方向吻合。單獨(dú)考慮整體降溫頂/腹板溫差作用下頂板底面主拉應(yīng)力及其方向如圖6所示。由圖6(a)可以看出：在該單項(xiàng)荷載作用下，1#墩附近區(qū)域的主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(最大達(dá)到3.5 MPa)，并且其可能裂縫方向也與實(shí)際裂縫方向吻合。但考慮到實(shí)際情況中主梁頂板與腹板的溫差不一定達(dá)到10 ℃，故可認(rèn)為造成1#墩附近主梁頂板底面斜向裂縫是由恒載、活載、梯度溫度以及頂/腹板不均勻溫升等聯(lián)合作用造成的，其中綠化帶及腹板外側(cè)空箱室阻礙腹板與外界熱傳播，導(dǎo)致整體升降溫時(shí)頂板與腹板存在溫差，進(jìn)而使得頂板底面出現(xiàn)附加溫度應(yīng)力，導(dǎo)致頂板底面出現(xiàn)斜裂縫。

圖5 新最不利組合下頂板底面主拉應(yīng)力及其方向

與原最不利組合一樣，新最不利組合作用下也有部分區(qū)域主拉應(yīng)力超限(圖5)，但實(shí)際檢測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域裂縫的存在，原因是計(jì)算中各項(xiàng)作用均采用極限狀態(tài)，實(shí)際上，過(guò)去2年的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，這些作用可能未達(dá)到極限狀態(tài)或者所有作用未同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)建立三維實(shí)體有限元模型，對(duì)某兩跨倒箱形截面門(mén)式框架斜橋1#墩附近頂板底面斜向裂縫成因進(jìn)行了分析，得到了該位置斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因，即箱梁腹板外側(cè)的空箱室和綠化帶將腹板與外界隔離，阻礙腹板與外界的熱傳遞，導(dǎo)致整體升降溫過(guò)程中，腹板與頂板存在溫差，進(jìn)而使得頂板底面存在附加溫度應(yīng)力。分析結(jié)果為該橋后續(xù)的加固設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

圖6 頂/腹板溫差10 ℃時(shí)頂板底面主拉應(yīng)力及其方向