混凝土獨(dú)塔斜拉橋主梁裂后結(jié)構(gòu)性能

吳繼紅 ，胡陽(yáng)

(1.鷹潭市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，江西 鷹潭 335000；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁開(kāi)裂后的結(jié)構(gòu)性能以及承載力評(píng)估，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了很多研究工作。對(duì)于已經(jīng)存在裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)行為研究主要集中于承載力評(píng)估[1-3]，一般從裂縫損傷特征出發(fā)，通過(guò)構(gòu)造開(kāi)裂后混凝土的損傷模型，依據(jù)規(guī)范或通過(guò)計(jì)算分析評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力。也有部分學(xué)者針對(duì)開(kāi)裂后混凝土橋梁的剛度等結(jié)構(gòu)特征的影響規(guī)律[4-7]開(kāi)展研究。

開(kāi)裂后的混凝土在裂縫的法線方向失去抵抗荷載的能力；此外垂直于裂縫法線方向的混凝土抗壓強(qiáng)度也受裂縫影響。本研究針對(duì)主梁存在裂縫的混凝土獨(dú)塔斜拉橋，考慮混凝土開(kāi)裂對(duì)材料本構(gòu)模型的影響，構(gòu)建全橋及主梁局部模型，對(duì)設(shè)計(jì)荷載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行分析并評(píng)估其承載力。

1 橋梁概況

研究對(duì)象為一座130 m+130 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用塔梁固結(jié)形式，索塔為H型鋼筋混凝結(jié)構(gòu)，斜拉索采用扇形布置，梁上索距6 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土倒梯型單箱四室截面，梁高3 m，主梁頂板寬度37.5 m，底板寬度21.9 m，頂板、底板和斜腹板的厚度均為0.28 m，中間3個(gè)直腹板的厚度均為0.4 m，典型主梁斷面尺寸如圖1所示。

圖1 典型主梁橫斷面圖(單位:cm)

該橋主梁在施工過(guò)程中，因縱橫及豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉順序失誤，導(dǎo)致兩跨主梁均出現(xiàn)裂縫。其中0#、1#、2#的3塊頂板、底板裂縫多，密度大，在直腹板的預(yù)應(yīng)力錨固處也出現(xiàn)裂縫。裂縫條數(shù)最多的0#號(hào)梁塊，最大裂縫寬度0.26 mm；其他裂縫條數(shù)少的梁塊，最大裂縫寬度約為0.16 mm。頂板和底板的裂縫走向與預(yù)應(yīng)力方向大體成45°夾角。最長(zhǎng)的裂縫貫通頂板或底板的凈跨徑，施工中觀察到裂縫處有滲水，表明裂縫在板的厚度方向貫通。直腹板裂縫均出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力錨頭處，只有一條主要裂縫，裂縫走向和預(yù)應(yīng)力方向大體垂直或成70°～80°夾角?？渴袇^(qū)側(cè)主跨裂縫分布如圖2所示。

圖2 主梁裂縫分布(僅示出市區(qū)跨)(單位:cm)

2 開(kāi)裂后計(jì)算模型

在計(jì)算模型中引入開(kāi)裂混凝土的本構(gòu)關(guān)系以反映裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承載能力的影響，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際材料特性、真實(shí)的結(jié)構(gòu)幾何尺寸和邊界約束條件，以及實(shí)際的運(yùn)營(yíng)荷載。

對(duì)混凝土開(kāi)裂后行為的計(jì)算模擬，主流方法是采用離散型裂縫模型或彌散裂縫模型，后者更適用于裂縫數(shù)量較多、計(jì)算規(guī)模較大的工況。建立全橋有限元計(jì)算模型時(shí)，將裂縫分布到一定的區(qū)域，認(rèn)為該區(qū)域具有均勻分布的裂縫，這一區(qū)域稱做計(jì)算裂縫區(qū)域。計(jì)算裂縫區(qū)域的劃分與裂縫的密度、長(zhǎng)度和寬度有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)的構(gòu)造型式和尺寸有關(guān)。根據(jù)該橋的裂縫形態(tài)，將頂板、底板和腹板的計(jì)算裂縫區(qū)域劃分如圖3中陰影部分所示。計(jì)算裂縫方向采用指該區(qū)域?qū)挾群烷L(zhǎng)度都較大的幾條主要裂縫法線方向與X軸夾角的平均值。

對(duì)于計(jì)算裂縫區(qū)域的混凝土，將其視為沿著開(kāi)裂方向的正交各向異性材料，其本構(gòu)關(guān)系可以寫(xiě)成：

{σ}=[D]]{εe}

(1)

式(1)中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣可以表示為：

[Dcr]]-1=

(2)

其中E1為與裂縫垂直方向的彈性模量，取177.5 MPa，E2、E3為與裂縫平行方向的彈性模量，都為28 400.0 MPa；G12、G13為與裂縫平行方向的剪切模量，都取739.6 MPa,G23為與裂縫垂直方向的剪切模量，取14 792.0 MPa；泊松比v12、v13皆為0，v23取0.2。建立的有限元分析模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元分析模型

3 全橋行為分析

基于上述考慮混凝土開(kāi)裂影響的分析模型，進(jìn)行了主梁塔根部最大負(fù)彎矩、跨中最大正彎矩狀態(tài)下，偏載和對(duì)稱加載4種工況下主梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。鑒于主梁頂板混凝土開(kāi)裂較多，塔根負(fù)彎矩作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有代表性，僅列出該工況下的分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 主梁各構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

從圖4可見(jiàn)，除個(gè)別橫隔板與頂、底過(guò)渡處的應(yīng)力集中外，其余各部分頂、底主拉應(yīng)力在2.7 MPa以內(nèi)，主梁頂、底板及斜腹板主壓應(yīng)力不超過(guò)17.4 MPa。此外，分析也表明主梁中腹板的主拉應(yīng)力不超過(guò)2.4 MPa，主壓應(yīng)力不超過(guò)16.2 MPa。塔根最大負(fù)彎矩工況下主梁混凝土的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力，以及開(kāi)裂單元裂縫切線和法線方向的應(yīng)力均小于《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)規(guī)定的C55混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。其它3種加載工況的應(yīng)力結(jié)果反映出類似結(jié)果。

該橋業(yè)主單位開(kāi)展了4種工況下的荷載試驗(yàn)以評(píng)估其承載力。荷載試驗(yàn)獲得的主梁撓度與分析結(jié)果的對(duì)比如表1所示。撓度的試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果比較接近，說(shuō)明分析模型較好地反應(yīng)了橋梁的工作狀態(tài)。

表1 荷載試驗(yàn)跨中撓度測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果

分析得到在最不利活載作用的橋梁最大撓跨比為1/1970，可以認(rèn)為該橋仍有足夠的剛度。

4 局部承載力分析

當(dāng)車輪作用于主梁開(kāi)裂頂板時(shí)，頂板的局部彎曲變形可能由于既有的裂縫的影響而增大，局部彎曲應(yīng)力也可能增加。以塔根處邊箱頂板(編號(hào)為A0)區(qū)域?yàn)槔捎贸?A級(jí)車輛進(jìn)行局部加載。局部加載方案如圖5所示，圖中頂板加載區(qū)域尺寸根據(jù)其在順橋向和橫橋向的凈跨度確定。

圖5 A0頂板車輛加載圖示(單位：cm)

采用ANSYS建立的局部開(kāi)裂區(qū)域限元模型。局部有限元模型全部采用Shell63殼單元，開(kāi)裂單元的局部坐標(biāo)系采用裂縫坐標(biāo)系。從全橋有限元模型映射出局部模型的位移和力邊界條件，車輛荷載只在局部有限元模型上加載。

A0頂板局部加載下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。在開(kāi)裂區(qū)域邊界上存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，若不考慮應(yīng)力集中的影響，A0區(qū)域裂縫法向應(yīng)力在頂面為-0.744～3.798 MPa，裂縫切向應(yīng)力在頂面為-12.510～-1.216 MPa。裂縫法向最大拉應(yīng)力位于頂板和直腹板的交接處，拉應(yīng)力值略高于公路橋規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，范圍較小。

圖6 A0頂板應(yīng)力云圖(單位：MPa)

其它開(kāi)裂區(qū)域的局部有限元分析顯示出與A0區(qū)域類似的結(jié)果。分析表明，在局部最不利加載工況下，所選擇的幾種開(kāi)裂嚴(yán)重的頂板和腹板區(qū)域的最大變形基本上在公路規(guī)范容許的范圍內(nèi)，裂縫法向和切向的壓應(yīng)力均小于公路規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，裂縫切線和法線方向的拉應(yīng)力在局部很小的范圍內(nèi)略高于公路規(guī)范規(guī)定的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。但由于具有高拉應(yīng)力的區(qū)域范圍很小，再加上普通鋼筋對(duì)裂縫擴(kuò)展的阻止作用，既有裂縫的擴(kuò)展將會(huì)受到限制。

在裂縫發(fā)生后業(yè)主單位組織的荷載試驗(yàn)中，進(jìn)行橋面板區(qū)域車輛加載時(shí)，也未發(fā)現(xiàn)既有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

對(duì)于主梁開(kāi)裂后的混凝土獨(dú)塔斜拉橋，考慮混凝土裂縫的影響進(jìn)行總體和主梁局部承載力分析與評(píng)估，結(jié)論如下：

1)4種全橋分析結(jié)果表明，在試驗(yàn)荷載下，開(kāi)裂后主梁頂板、底板和斜腹板、直腹板上未開(kāi)裂區(qū)域的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力均小于C55混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2)對(duì)主梁開(kāi)裂板件局部分析結(jié)果表明，在局部最不利加載工況下，所選擇的幾種開(kāi)裂嚴(yán)重的頂板和腹板區(qū)域的裂縫法向和切向的壓應(yīng)力均小于公路規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，裂縫切線和法線方向的拉應(yīng)力在局部很小的范圍內(nèi)略高于公路規(guī)范規(guī)定的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。開(kāi)裂區(qū)域局部承載力會(huì)有所降低，但是由于被裂縫分割的混凝土塊和鋼筋組成的拉壓桿系統(tǒng)共同承受荷載，車輛荷載作用下裂縫不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。