預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁橋開裂機(jī)理及控制研究

戴利平

(宇航交通建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 311100)

1 多因素下箱梁橋的開裂機(jī)理

1.1 有限元模型

以三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁作為分析對象,建立與相應(yīng)的有限元分析模型,模型主要參數(shù)如下。

(1)結(jié)構(gòu)尺寸。箱梁采用單箱單室連續(xù)式設(shè)計(jì),縱向各截面設(shè)定為相等,跨徑布置設(shè)計(jì)為30 m+30 m+30 m。濕接縫尺寸定為0.5 m。

(2)材料特性。箱梁的主體結(jié)構(gòu)及濕接縫均定義為C50混凝土,其容重、彈模及泊松比分別定義為25 kN/m3、3.45×104MPa及0.2。為了模擬支座狀態(tài),將墊片定義為剛度較小且變形有限的鋼墊片,定義其容重、彈模及泊松比分別定義為7 800 kN/m3、1×103GPa及0.3。

(3)邊界條件。為了簡化結(jié)構(gòu)、減少算量,本研究對箱梁橋的墩柱支承做出簡化處理,假定支座墊塊底部、地面直接采用剛接進(jìn)行連接,而支座墊塊上部澤宇橋體形成支座約束。

考慮到分析算量及計(jì)算精度的要求,將有限元模型劃分為114 968個(gè)六面體單元,其中構(gòu)成應(yīng)力筋的桁架單位共1 500個(gè)。

(4)工況條件。按照正交性試驗(yàn)原理,共可得到25中不同的工況條件,如表1、表2所示。同時(shí),為了方便比對分析,另外增設(shè)一類基準(zhǔn)工況,也即假定無預(yù)應(yīng)力損失、標(biāo)準(zhǔn)溫度條件、規(guī)范等效荷載取值下的工況條件,以此來模擬分析橋梁的理想狀態(tài)。

表1 各因素水平設(shè)計(jì)表

表2 正交試驗(yàn)法所確定的工況設(shè)計(jì)

2 Abaqus計(jì)算結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在假定的基準(zhǔn)工況條件下,也即:施加3 500 Pa均布荷載作用、張拉1 395 MPa預(yù)應(yīng)力、25 ℃環(huán)境溫度下,分析得到箱梁結(jié)構(gòu)整體的計(jì)算云圖。

可以發(fā)現(xiàn),在基準(zhǔn)工況下箱梁結(jié)構(gòu)中的最大第一主拉應(yīng)力出現(xiàn)在支座頂點(diǎn)所對應(yīng)的頂板上表面處。若將荷載成比例擴(kuò)大,那么在該位置將最先達(dá)到極限狀態(tài),產(chǎn)生橫向開裂。這一位置的跨中底板下表面較頂板上表面而言,第一主拉應(yīng)力更小,這一現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的布置情況存在緊密聯(lián)系。

為了深入探究25種不同工況下結(jié)構(gòu)的第一主拉應(yīng)力水平,本研究還沿橋縱向中線分析不同控制截面的第一主應(yīng)力,其中主要參考點(diǎn)有邊跨支座、邊跨1/4跨、邊跨跨中、中跨支座、中跨1/4跨以及中跨跨中,并以點(diǎn)1～點(diǎn)6分別對其命名。

從上述六點(diǎn)提取得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各工況下計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果

按照表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),對于支座頂點(diǎn)位置的第一主應(yīng)力而言,其在工況4、18及22下數(shù)值比較大,從表1、表2可以發(fā)現(xiàn)這三個(gè)工況條件所對應(yīng)的溫度荷載水平均為1,也即在最大的溫度降幅下,這也表明支座頂點(diǎn)附近位置的主應(yīng)力對于溫度變化表現(xiàn)出較為敏感的反應(yīng)。對于溫度變化較大的工況來說,支座頂點(diǎn)位置最有可能首先出現(xiàn)開裂。對于邊跨及中跨跨中處的第一主應(yīng)力而言,其在工況6、11及16下數(shù)值比較大,從表1、表2可以發(fā)現(xiàn)這三個(gè)工況條件所對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力荷載水平均為1,也即在最大的預(yù)應(yīng)力損失下,這也表明跨中位置的主應(yīng)力對于預(yù)應(yīng)力損失表現(xiàn)出較為敏感的反應(yīng)。對于預(yù)應(yīng)力損失較大的工況來說,跨中位置最有可能首先出現(xiàn)開裂。

2.2 關(guān)鍵截面的開裂特性

根據(jù)上述對關(guān)鍵截面應(yīng)力水平的分析可以發(fā)現(xiàn),在不同工況條件下各個(gè)關(guān)鍵截面的第一主應(yīng)力不盡相同。對于各關(guān)鍵截面而言,出現(xiàn)最大第一主應(yīng)力時(shí)所選用的工況也即該截面的最易開裂工況。根據(jù)上述分析結(jié)果可以看出,對于跨中及四分之一截面而言,其最易開裂工況為工況21;對于支座截面而言,其最易開裂工況為工況22。所以,下面主要針對工況21、工況22以及基準(zhǔn)工況展開分析,此三個(gè)工況2所取用的因素值如表4所示。

表4 各因素水平的取值

對工況21及工況22進(jìn)行分解即可得到各因素單獨(dú)發(fā)生變化時(shí)對應(yīng)的工況,如表5、表6所示。

表5 工況21下各因素單獨(dú)變化的工況設(shè)計(jì)

表6 工況22下各因素單獨(dú)變化的工況設(shè)計(jì)

通過有限元分析即可得出在上述三個(gè)工況條件下各關(guān)鍵截面的第一主應(yīng)力,并將工況21及工況22下測得的結(jié)果與基準(zhǔn)工況進(jìn)行比對,如表7所示。

表7 分析對象在不同工況下的計(jì)算應(yīng)力 (單位:MPa)

(2)工況21下關(guān)鍵截面的開裂特性

根據(jù)模擬分析可以發(fā)下,工況21條件下在各跨1/4及1/2跨處截面的應(yīng)力水平較高,所以取這兩個(gè)截面展開分析,測得工況21下當(dāng)各因素獨(dú)立發(fā)生變化時(shí)的第一主應(yīng)力,如表8所示。

表8 工況21下各因素獨(dú)立變化時(shí)的第一主應(yīng)力 (單位:MPa)

各因素獨(dú)立變化時(shí)相較于基準(zhǔn)工況所發(fā)生的應(yīng)力增量如表9所示。

表9 各因素獨(dú)立變化時(shí)相較于基準(zhǔn)工況的應(yīng)力增量

通過表9可以發(fā)現(xiàn),在工況21下當(dāng)各因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí)的應(yīng)力增量總和與工況21條件下相較于基準(zhǔn)工況的應(yīng)力增量相等,這也印證了工況設(shè)計(jì)的合理、準(zhǔn)確。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可得到當(dāng)各因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí),各項(xiàng)應(yīng)力增量占總增量的比例。

可以發(fā)現(xiàn),在各項(xiàng)因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí)的應(yīng)力增量占比中,支座溫度變化的影響最為顯著,因此溫度變化在支座位置最易引發(fā)開裂;而預(yù)應(yīng)力損失在跨中、1/4跨位置的截面應(yīng)力的增量中則占據(jù)主導(dǎo),也就是說預(yù)應(yīng)力損失最易引發(fā)這兩處截面開裂。

(2)工況22下關(guān)鍵截面的開裂特性

根據(jù)模擬分析可以發(fā)下,工況22條件下在各跨支座處截面的應(yīng)力水平較高,所以取支座截面展開分析,測得工況22下當(dāng)各因素獨(dú)立發(fā)生變化時(shí)的第一主應(yīng)力,如表10所示。

表10 工況22下各因素獨(dú)立變化時(shí)的第一主應(yīng)力 (單位:MPa)

各因素獨(dú)立變化時(shí)相較于基準(zhǔn)工況所發(fā)生的應(yīng)力增量如11所示。

通過表11可以發(fā)現(xiàn),在工況22下當(dāng)各因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí)的應(yīng)力增量總和與工況22條件下相較于基準(zhǔn)工況的應(yīng)力增量相等,這也印證了工況設(shè)計(jì)的合理、準(zhǔn)確。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可得到當(dāng)各因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí),各項(xiàng)應(yīng)力增量占總增量的比例。

表11 各因素獨(dú)立變化時(shí)相較于基準(zhǔn)工況的應(yīng)力增量

可以發(fā)現(xiàn),在各項(xiàng)因素發(fā)生獨(dú)立變化時(shí)的應(yīng)力增量占比情況與工況21較為類似,支座溫度變化的影響最為顯著,因此溫度變化在支座位置最易引發(fā)開裂;而預(yù)應(yīng)力損失在跨中、四分之一跨位置的截面應(yīng)力的增量中則占據(jù)主導(dǎo),也就是說預(yù)應(yīng)力損失最易引發(fā)這兩處截面開裂。同時(shí),將工況21及工況22下分析得到的應(yīng)力增幅進(jìn)行比對,可以發(fā)現(xiàn)前者為升溫工況,后者為降溫工況,其后者引起的應(yīng)力變化更為突出,也即降溫更容易引起梁體的開裂。

3 預(yù)應(yīng)力箱梁開裂的控制措施

3.1 底板開裂

(1)增厚底板。在設(shè)計(jì)截面形狀時(shí),應(yīng)當(dāng)確保底板厚度可以滿足預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)、張拉的需求,其應(yīng)通過增后底板的方式來提升其剛度,防止過早開裂的發(fā)生。

(2)布設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋。對于橫向?qū)挾容^大的箱梁,在實(shí)際運(yùn)營中可能會(huì)出現(xiàn)類似于縱向彎曲的效應(yīng),進(jìn)而使得底板的橫向拉應(yīng)力水平較高,在這樣的情況下布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋能夠顯著改善其抗拉性能,防止縱向裂縫的產(chǎn)生。

(3)設(shè)置橫隔板。在原有箱梁中設(shè)置橫隔板能夠顯著提升梁體的剛度,其能夠幫助承擔(dān)橫向拉應(yīng)力,避免開裂的發(fā)生。

3.2 腹板局部開裂

(1)增厚腹板。腹板的厚度應(yīng)當(dāng)與布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋相適應(yīng),且更厚的腹板也有助于抵抗剪切作用。

(2)布設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋。豎向預(yù)應(yīng)力筋有助于強(qiáng)化腹板的強(qiáng)度及抗剪剛度。

(3)設(shè)置斜支撐。在腹板上端、翼板的連接位置設(shè)置斜支撐,能夠有效防止局部集中應(yīng)力的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語

以Abaqus有限元分析軟件為基礎(chǔ),建立了三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁模型,分別設(shè)定三個(gè)代表工況進(jìn)行分析,以此評(píng)價(jià)箱梁關(guān)鍵截面的開裂機(jī)理,并以此為基礎(chǔ)從底板開裂及腹板局部開裂兩個(gè)方面提出了增厚板件、布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋等控制措施。