箱梁不同部位裂縫對連續(xù)剛構(gòu)橋的影響分析

秦冰冰， 王振佳

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450000；2.河南省交院工程檢測科技有限公司， 河南 鄭州 450000；3.中交路橋建設(shè)有限公司， 北京 100027)

連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合連續(xù)梁和T型剛構(gòu)的優(yōu)點[1]，適用能力極強，特別是對于各種山谷、河流等險峻的地形，得到了工程界的普遍認可。然而在得到廣泛應(yīng)用的同時，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各種各樣的病害，如主梁開裂、跨中下?lián)稀⒛途眯酝嘶萚2-4]，其中以主梁開裂病害最為突出。針對主梁上的裂縫，諸多工程技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗分析裂縫成因或者按照公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范中依據(jù)裂縫的寬度采取不同的修補辦法[5]，這種做法對連續(xù)剛構(gòu)橋的維修加固效果較差，同時造成了不必要的資金浪費。

本文基于連續(xù)剛構(gòu)橋外觀調(diào)查統(tǒng)計，根據(jù)各部位裂縫的主要形式及分布特征，分別模擬計算各部位各形式裂縫對連續(xù)剛構(gòu)橋的影響程度，進行對比分析，為后期連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的維修處理提供參考。

1 各部位主要裂縫

根據(jù)對陜西省32座已運營連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁中跨上各部位分布著各種形式的裂縫。按照箱梁部位的不同，分別統(tǒng)計得到各部位主要裂縫的形式，見表1。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各部位裂縫形式匯總

2 計算模型的建立及驗證

2.1 連續(xù)剛構(gòu)橋梁實體單元的建立

本文利用有限元軟件MIDAS FEA建立設(shè)計狀態(tài)、裂縫狀態(tài)下的模型，計算分析各部位各形式裂縫對結(jié)構(gòu)的影響程度。

以陜西省某連續(xù)剛構(gòu)橋為依托，該橋上部為65 m+120 m+65 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，單箱單室截面，墩頂梁高為7 m，高跨比為1∶17.1，跨中梁高為2.6 m，高跨比為1∶46.1，箱梁頂板寬12.25 m，底板寬6.5 m，翼緣板懸臂長2.875 m，梁底曲線按照二次拋物線變化。下部結(jié)構(gòu)為雙薄壁墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

通過建立對稱邊界約束條件，建立一半模型，代替全橋模型。根據(jù)施工圖紙建立橋梁的一半實體模型以及三向預(yù)應(yīng)力鋼筋，如圖1和圖2所示。邊界條件：墩底固結(jié)，中跨跨中采用對稱邊界約束，邊跨端部采用一般支撐，荷載工況采用正載三輛車+恒載(自重和二期鋪裝)+預(yù)應(yīng)力。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋梁實體模型圖 圖2 三向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖

混凝土材料選擇C50，實體單元為6面體，設(shè)計狀態(tài)下，受壓模型(Thorenfeldt模型)中的fc取32.4 MPa，受拉模型(Hordijk模型)中的ft取2.65 MPa。

2.2 裂縫單元的模擬方法

目前，有3種裂縫模型比較常用，分別是：離散裂縫模型、彌散裂縫模型、斷裂力學(xué)裂縫模型。

離散裂縫模型，只要有新的裂縫出現(xiàn)就增加新的節(jié)點，重新劃分單元。因此，在分析復(fù)雜的或大型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時很少采用。

斷裂力學(xué)模型，該類模型的研究尚處于初級階段，且研究得較多的是處理純混凝土中的裂縫。

彌散裂縫模型，是假定開裂的混凝土還保持某種連續(xù)性，裂縫是以一種“連續(xù)的”或稱“彌散的”形式分布于單元內(nèi)，即當單元內(nèi)的某點(實際上是積分點)主拉應(yīng)力超過了開裂應(yīng)力，裂縫將在垂直于最大主拉應(yīng)力的平面內(nèi)形成，裂縫形成后，垂直于裂縫的方向，單元的彈性模量、泊松比降為0，平行于裂縫方向，單元的彈性模量和泊松比不變?？梢园验_裂后的混凝土按照正交異性材料處理，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法處理，也便于計算機自動處理，因而在分析各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)綜合比較，本文采用彌散裂縫模式進行分析。

為保證連續(xù)剛構(gòu)橋在自重作用下，相應(yīng)位置處就存在裂縫，現(xiàn)定義裂縫單元的特性，將Hordijk模型中的ft=2.65 MPa降低為0.001 MPa，考慮到開裂位置處的混凝土各向變形互不影響，將泊松比改為0，且使用縮減的彈性模量和剪切模量，未開裂位置處的單元參數(shù)不變[6-10]。

2.3 裂縫模擬模型的驗證

在MIDAS CIVIL中，通過建立全橋模型，同時施加與本文相同的荷載，得到跨中位移值、底板應(yīng)力和本文實體模型的位移值、底板應(yīng)力基本一致。

3 各部位裂縫對結(jié)構(gòu)的影響分析

不同位置處的裂縫，對結(jié)構(gòu)跨中撓度和跨中最大壓應(yīng)力的影響程度不同，本文以連續(xù)剛構(gòu)橋中跨跨中截面撓度和跨中最大壓應(yīng)力為指標，分別計算各部位各形式裂縫在不同開裂深度(未開裂、D/10、4D/10、7D/10、D，其中D表示對應(yīng)板的厚度)狀態(tài)下，連續(xù)剛構(gòu)橋梁跨中撓度和跨中最大壓應(yīng)力的變化情況。裂縫的產(chǎn)生必然導(dǎo)致周圍應(yīng)力的重新分配，表現(xiàn)為應(yīng)力集中和應(yīng)力釋放。因此，亦應(yīng)分析開裂前后局部區(qū)域最大拉應(yīng)力的變化情況，以得到各裂縫對結(jié)構(gòu)的局部影響。

3.1 裂縫對跨中撓度的影響

分別在相應(yīng)位置處構(gòu)造裂縫，即將相應(yīng)位置處的單元轉(zhuǎn)換成裂縫單元。各部位主要形式的裂縫對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度的具體影響，見圖3—圖8。

圖3 底板各位置縱向裂縫對跨中撓度影響圖 圖4 底板L/2處的橫向裂縫對跨中下?lián)嫌绊憟D

圖5 腹板各位置縱向裂縫對跨中下?lián)嫌绊憟D 圖6 腹板各位置豎向裂縫對跨中下?lián)嫌绊憟D

圖7 腹板各位置斜向裂縫對跨中下?lián)嫌绊憟D 圖8 頂板各位置縱向裂縫對跨中下?lián)嫌绊憟D

表2 各部位主要形式裂縫全開裂狀態(tài)下跨中撓度及對撓度的折減匯總表

3.2 裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力的影響

將各部位主要形式裂縫對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中截面最大壓應(yīng)力的影響數(shù)據(jù)用圖形來表述，得到圖9—圖14。

圖9 底板各位置縱向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖 圖10 底板L/2處橫向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖

圖11 腹板各位置縱向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖 圖12 腹板各位置豎向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖

圖13 腹板各位置斜向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖 圖14 頂板各位置縱向裂縫對跨中截面最大壓應(yīng)力影響圖

表3 各部位主要形式裂縫全開裂狀態(tài)下跨中截面最大壓應(yīng)力及對最大壓應(yīng)力的折減匯總表

3.3 局部影響

不同部位產(chǎn)生裂縫以后，在車輛荷載作用下，裂縫周圍區(qū)域表現(xiàn)出的應(yīng)力集中程度是不同的。各部位主要在全開裂狀態(tài)下，裂縫對局部的影響結(jié)果列于表4—表9。

表4 底板縱向裂縫產(chǎn)生前后局部最大拉應(yīng)力變化表 MPa

表5 底板跨中橫向裂縫對局部區(qū)域最大拉應(yīng)力影響表 MPa

表6 腹板縱向裂縫產(chǎn)生前后局部最大拉應(yīng)力變化表 MPa

表7 腹板豎向裂縫產(chǎn)生前后局部最大拉應(yīng)力變化表 MPa

表8 腹板斜向裂縫產(chǎn)生前后局部最大拉應(yīng)力變化表 MPa

表9 頂板縱向裂縫產(chǎn)生前后局部最大拉應(yīng)力變化表 MPa

由表4—表9可得，各部位裂縫對局部最大拉應(yīng)力影響：(1)底板各位置縱向裂縫產(chǎn)生后，其周圍應(yīng)力集中程度均不超過1%；(2)底板跨中橫向裂縫在全開裂時，對裂縫周圍的最大拉應(yīng)力影響非常不利，由開裂前的1.736 MPa變?yōu)殚_裂后的2.342 MPa，即將達到混凝土的抗拉強度；(3)腹板縱向裂縫開裂后，對周圍最大拉應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響，但影響不大，應(yīng)力集中變化幅度最大為6%，位于L/4處；(4)在腹板L/3處產(chǎn)生豎向裂縫后，周圍最大拉應(yīng)力達到2.278 MPa，接近混凝土的抗拉強度，有開裂的危險；(5)腹板L/3處的斜向裂縫對局部區(qū)域影響較大，最大拉應(yīng)力為2.081 MPa；(6)頂板各位置縱向裂縫在全開裂狀態(tài)下，對局部最大拉應(yīng)力的影響程度不大，其變化幅度基本不超過1%。

4 結(jié)論

本文綜合各部位不同形式裂縫對跨中撓度、跨中截面最大壓應(yīng)力、局部最大拉應(yīng)力等指標的影響分析，得到以下結(jié)論：

(1)縱橋向，中跨跨中(L/2)處的裂縫對連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中撓度和跨中截面最大壓應(yīng)力產(chǎn)生最不利的影響；

(2)L/2處，底板橫向裂縫對跨中撓度和最大壓應(yīng)力產(chǎn)生最不利的影響；

(3)中跨底板L/2處的橫向裂縫、中跨腹板L/3處的豎向裂縫和斜向裂縫對局部最大拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的不利影響；

(4)在連續(xù)剛構(gòu)橋的運營養(yǎng)護過程中，應(yīng)該加強對中跨各部位L/2處的裂縫(尤其是底板橫向裂縫)，中跨腹板L/3處的豎向裂縫和斜向裂縫等的預(yù)防和處理。