預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間裂縫變形控制技術(shù)研究

陳 欣，謝利寶，馮曉楠

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112； 2. 江蘇省交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法監(jiān)督局，南京 210008)

通過對(duì)構(gòu)件工業(yè)化制造和裝配化施工，可顯著加快預(yù)制裝配式橋梁的施工進(jìn)度，從而減少交通干擾，因此預(yù)制裝配式橋梁在市政工程建設(shè)中得以快速推廣[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)和施工期間的力學(xué)性能開展相關(guān)研究。宰國(guó)軍等[4]運(yùn)用力學(xué)知識(shí)和工程實(shí)例研究不同溫度下箱梁存儲(chǔ)的力學(xué)性能，結(jié)果表明支承方式不當(dāng)和溫度驟降是導(dǎo)致梁體開裂的主要原因，并提出相應(yīng)處置措施。陳璋等[5]對(duì)超寬預(yù)制混凝土邊箱梁的施工過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明條形支承對(duì)梁體局部受力有利，但難以控制梁體的扭轉(zhuǎn)受力，而方形支承在施工過程中受力明確，可有效解決支承處底板局部受力問題。國(guó)外目前主要針對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間的收縮徐變效應(yīng)開展相關(guān)研究。Ba?ant等[6]考慮到預(yù)制節(jié)段箱梁的非線性和老化問題，計(jì)算其在存儲(chǔ)期間的相對(duì)濕度分布，研究干燥收縮和徐變對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁應(yīng)力分布的影響，通過實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)干燥收縮對(duì)應(yīng)力分布的影響更大，工程中須將干燥收縮問題考慮在內(nèi)。

目前針對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間裂縫變形控制的研究較少，然而不合理的支承布置平面位置、箱梁疊放層數(shù)以及支承相對(duì)高差會(huì)導(dǎo)致預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫和變形，影響工程質(zhì)量，甚至引發(fā)工程事故。因此有必要開展預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間裂縫變形控制研究，以確保預(yù)制節(jié)段箱梁在存儲(chǔ)期間的安全穩(wěn)定。

1 預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)現(xiàn)狀

預(yù)制節(jié)段箱梁常規(guī)存儲(chǔ)方式如圖1所示，預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)時(shí)應(yīng)用墊木或混凝土塊墊實(shí)，不可直接放置于地面。

(a) 預(yù)制節(jié)段箱梁疊放

《裝配式混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DB41/T 1847—2019)[7]中規(guī)定：①預(yù)制混凝土節(jié)段箱梁宜采用疊放的存儲(chǔ)方式；②預(yù)制節(jié)段箱梁的疊放層數(shù)不宜超過2層。此外，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)[8]中規(guī)定：①預(yù)制承重構(gòu)件的疊放層數(shù)一般以2層為宜，不應(yīng)超過3層；②預(yù)制節(jié)段箱梁疊放時(shí)，層與層之間應(yīng)以墊木隔開，上下層支承應(yīng)在同一豎直線上。PCIdesignhandbook:precastandprestressedconcrete(《預(yù)制和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)》)[9]中規(guī)定：①預(yù)制構(gòu)件應(yīng)放置在支承上，不得直接放置于地面；②運(yùn)輸和存儲(chǔ)期間的支承位置應(yīng)一致，誤差應(yīng)控制在0.762 m內(nèi)。

國(guó)內(nèi)外規(guī)范目前只對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁的存儲(chǔ)方式提出了大致要求，針對(duì)支承布置平面位置和支承相對(duì)高差未有詳細(xì)規(guī)定。不合理的支承布置平面位置會(huì)導(dǎo)致箱梁產(chǎn)生裂縫，而支承相對(duì)高差過大會(huì)導(dǎo)致箱梁的扭轉(zhuǎn)甚至傾覆。因此本研究以南京長(zhǎng)江五橋?yàn)楣こ瘫尘?，比選不同的支承布置平面位置、箱梁疊放層數(shù)以及支承相對(duì)高差，提出相應(yīng)的控制指標(biāo)，從而避免預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間產(chǎn)生裂縫和變形。

2 工程概況

南京長(zhǎng)江五橋引橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨度為52 m和42 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁頂板寬為14.9 m，底板寬為5.5 m，頂板厚度為27 cm，邊腹板厚度為50 cm。單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁頂板寬為18.65 m，底板寬為9.25 m，頂板厚度為27 cm，邊腹板厚度為50 cm，中腹板厚度為40 cm。預(yù)制節(jié)段箱梁采用C50混凝土，橫向和縱向采用直徑為16 mm的HRB400鋼筋。引橋橫斷面如圖2所示。

(a) 單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁

(b) 單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁

3 有限元模型建立

3.1 創(chuàng)建有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件建立預(yù)制節(jié)段箱梁實(shí)體模型，箱梁和方形混凝土支承都采用三維實(shí)體單元，鋼筋采用三維線單元嵌入預(yù)制節(jié)段箱梁。有限元模型如圖3所示。

(a) 單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁模型

混凝土和鋼筋材料具體參數(shù)如表1所示。

方形混凝土支承與預(yù)制節(jié)段箱梁之間的接觸采用庫(kù)侖摩擦，由《工程地質(zhì)手冊(cè)》[10]可知混凝土間摩擦系數(shù)為0.65。將箱梁存儲(chǔ)期間的約束設(shè)置為簡(jiǎn)支約束，預(yù)制節(jié)段箱梁疊放要求層與層之間以支承隔開。為模擬實(shí)際疊放情況，將支承反力換算成面荷載施加于箱梁頂板，箱梁頂板加載位置如圖4所示。

圖4 箱梁頂板加載位置

3.2 分析工況

有限元分析圍繞支承布置平面位置、箱梁疊放層數(shù)及支承相對(duì)高差共3種影響因素展開，具體工況分析如表2所示。

表2 具體工況分析

4 靜力分析結(jié)果

4.1 支承布置平面位置分析

支承布置平面位置如圖5所示，計(jì)算底層單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁的受力及變形情況。

圖5 支承布置平面位置

將工況1～工況5的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不同支承平面位置箱梁應(yīng)力對(duì)比如圖6所示，不同支承平面位置箱梁變形對(duì)比如圖7所示。

圖6 不同支承平面位置箱梁應(yīng)力對(duì)比

圖7 不同支承平面位置箱梁變形對(duì)比

由圖6可知，工況1的支承布置在底板兩端時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁應(yīng)力最小，達(dá)到1.50 MPa；工況3的支承布置在底板橫向四等分點(diǎn)時(shí)，頂板與腹板的相交處應(yīng)力最大，達(dá)到2.66 MPa，超過C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.65 MPa)。

由圖7可知，工況1支承布置在底板兩端時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁變形最小，達(dá)到0.97 mm；工況3支承布置在底板橫向四等分點(diǎn)時(shí)，頂板中心變形最大，達(dá)到1.46 mm，尚未超過預(yù)制節(jié)段箱梁平整度5 mm 的限值要求[7]。

當(dāng)支承布置在底板兩端時(shí)，可避免預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫。支承縱向平面位置對(duì)箱梁應(yīng)力影響較小，支承橫向平面位置對(duì)箱梁應(yīng)力影響較大。當(dāng)支承布置在底板橫向四等分點(diǎn)時(shí)，預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度將不滿足規(guī)范要求，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫。

4.2 箱梁疊放層數(shù)分析

針對(duì)不同的箱梁疊放層數(shù)，計(jì)算底層單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁的受力及變形情況。將工況1、工況6和工況7的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不同箱梁疊放層數(shù)的箱梁應(yīng)力對(duì)比如圖8所示，不同箱梁疊放層數(shù)的箱梁變形對(duì)比如圖9所示。

圖8 不同箱梁疊放層數(shù)的箱梁應(yīng)力對(duì)比

圖9 不同箱梁疊放層數(shù)的箱梁變形對(duì)比

由圖8可知，工況6的2層箱梁疊放時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁應(yīng)力最小，達(dá)到0.95 MPa；工況7的4層箱梁疊放時(shí)，腹板中心應(yīng)力最大，達(dá)到2.70 MPa，超過C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.65 MPa)。

由圖9可知，工況6中2層箱梁疊放時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁變形最小，達(dá)到0.97 mm；工況7的4層箱梁疊放時(shí)，頂板中心變形最大，達(dá)到1.37 mm，尚未超過預(yù)制節(jié)段箱梁平整度5 mm的限值要求。

當(dāng)箱梁疊放層數(shù)不超過3層時(shí)，可避免預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫。當(dāng)疊放層數(shù)為4層時(shí)，預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度將不滿足規(guī)范要求，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫。

4.3 支承相對(duì)高差分析

分析針對(duì)單個(gè)支承存在高差進(jìn)行模擬，支承相對(duì)高差模擬方式如圖10所示。為符合實(shí)際受力特征，對(duì)預(yù)制節(jié)段箱梁施加重力加速度和強(qiáng)迫位移，存在高差的支承邊界條件設(shè)置為滑移，其他支承設(shè)置為鉸接。分析不同支承相對(duì)高差下底層單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁的受力及變形情況。

圖10 支承相對(duì)高差模擬方式

將工況8～工況15的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不同支承相對(duì)高差的箱梁應(yīng)力對(duì)比如圖11所示，不同支承相對(duì)高差的箱梁變形對(duì)比如圖12所示。

圖11 不同支承相對(duì)高差的箱梁應(yīng)力對(duì)比

由圖11可知，工況11的支承相對(duì)高差為-0.50 cm 時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁應(yīng)力最小，達(dá)到2.17 MPa；工況15的支承相對(duì)高差為+2.0 cm時(shí)，支承存在高差側(cè)應(yīng)力最大，達(dá)到2.70 MPa，超過C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.65 MPa)。

由圖12可知，工況12的支承相對(duì)高差為+0.50 cm 時(shí)，底層預(yù)制節(jié)段箱梁變形最小，達(dá)到1.23 mm；當(dāng)工況8的支承相對(duì)高差為-2.00 cm時(shí)，支承存在高差側(cè)變形最大，達(dá)到6.13 mm，超過預(yù)制節(jié)段箱梁平整度5 mm的限值要求。

當(dāng)支承相對(duì)高差不超過1 cm時(shí)，可避免預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫和較大變形。當(dāng)支承相對(duì)高差大于1 cm時(shí)，預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度和平整度都不滿足規(guī)范要求，會(huì)導(dǎo)致節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫甚至傾覆。

4.4 控制指標(biāo)確定

由單箱單室預(yù)制節(jié)段箱梁的分析結(jié)果可知，當(dāng)支承布置在底板兩端、箱梁疊放層數(shù)不超過3層且支承相對(duì)高差不超過1 cm時(shí)，可避免底層預(yù)制節(jié)段箱梁產(chǎn)生裂縫或較大變形。將這3項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)用于單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁裂縫變形控制，驗(yàn)證指標(biāo)的普適性。單箱雙室節(jié)段箱梁各工況分析結(jié)果如表3所示。

表3 單箱雙室節(jié)段箱梁各工況分析結(jié)果

由表3可知：①當(dāng)支承布置在底板兩端時(shí)，單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度和變形符合規(guī)范要求；②當(dāng)箱梁疊放層數(shù)不超過3層時(shí)，單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度和變形符合規(guī)范要求；③當(dāng)支承相對(duì)高差不超過1 cm時(shí)，單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度和變形符合規(guī)范要求。因此，3項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)適用于單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁的裂縫變形控制。

5 結(jié)論

為確保預(yù)制節(jié)段箱梁在存儲(chǔ)期間的安全穩(wěn)定，對(duì)單箱單室和單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁的存儲(chǔ)進(jìn)行仿真分析，模擬不同支承布置平面位置、箱梁疊放層數(shù)以及支承相對(duì)高差，共15種工況，通過對(duì)比分析得出以下結(jié)論。

(1) 預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間，支承布置平面位置和箱梁疊放層數(shù)對(duì)其位移變形影響較小。當(dāng)支承相對(duì)高差>1 cm時(shí)，其位移變形將不滿足預(yù)制節(jié)段箱梁平整度的要求。

(2) 當(dāng)支承布置在底板兩端、箱梁疊放層數(shù)不超過3層且支承相對(duì)高差不超過1 cm時(shí)，預(yù)制節(jié)段箱梁的抗拉強(qiáng)度將滿足規(guī)范要求，可避免其產(chǎn)生裂縫。

(3) 根據(jù)分析結(jié)果提出預(yù)制節(jié)段箱梁存儲(chǔ)期間支承的控制指標(biāo)，可應(yīng)用于單箱單室和單箱雙室預(yù)制節(jié)段箱梁工程，具有一定指導(dǎo)作用。