羅輝
摘要:使用熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析方法以及統(tǒng)計氣象資料估計橋梁溫度分布方法局限于定性分析,使梁橋界面受力點正應(yīng)力與實際情況不符,可能會導(dǎo)致開裂仿真結(jié)果不精準(zhǔn)。文章針對該問題,提出了在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法,在平面坐標(biāo)系中分析箱梁橋應(yīng)力狀態(tài),確定豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載是影響在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要因素,并使用Ansys軟件對混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫進(jìn)行模擬分析。通過構(gòu)建實體仿真模型,充分考慮恒載荷和預(yù)應(yīng)力,模擬三種不同溫度模式,并結(jié)合頂板四個角溫度分布情況,組合成三種工況,分析主拉應(yīng)力等值線圖,真實反映開裂方向。由實驗結(jié)果可知,使用該仿真方法獲得的受力點頂面、底面正應(yīng)力的研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞:在建預(yù)應(yīng)力;混凝土;連續(xù)箱梁橋;開裂過程;仿真分析
中圖分類號:U448.21+3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI:10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.040
文章編號:1673-4874(2021)01-0146-05
0引言
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁是梁橋結(jié)構(gòu)中最常見的一種結(jié)構(gòu),其截面抗扭剛度大,結(jié)構(gòu)在施工及使用中穩(wěn)定性好,該方法適應(yīng)性強(qiáng),在橋梁工程中應(yīng)用十分活躍。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)了很多問題,其中最突出的就是普遍出現(xiàn)裂縫。根據(jù)不完全統(tǒng)計,混凝土箱梁橋中幾乎都存在或大或小的裂縫[2]。盡管混凝土中也存在裂縫,但一些裂縫的存在和發(fā)展,在一定程度上會削弱相應(yīng)部位的承載能力,還會產(chǎn)生保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、耐久性差等現(xiàn)象,從而影響橋梁的正常使用,縮短其使用壽命。本文研究了橋梁使用中出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫和病害,并對其進(jìn)行了分析與修復(fù)。
以往的研究中,既對橋梁結(jié)構(gòu)的傳熱問題進(jìn)行了研究,也對后張混凝土箱梁豎向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了研究,并根據(jù)熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析了連續(xù)箱梁開裂過程。所得研究結(jié)果可有效地簡化連續(xù)箱梁橋豎向變形一維問題,但溫度荷載變化過程還沒有得到詳細(xì)分析。通過對橋梁溫度分布特征統(tǒng)計,導(dǎo)出了組合梁上下表面最大溫差近似方程,使用該方法利用線性溫度分布特點,雖然能夠得到連續(xù)箱梁橋溫差應(yīng)力,但開裂過程需要從豎向預(yù)應(yīng)力方向展開研究,因此仿真結(jié)果不具有代表性。本文提出在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法,通過構(gòu)建仿真模型,從豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載兩個方向展開分析,合理分析混凝土連續(xù)箱梁橋開裂原因。
1在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂因素
雖然使混凝土連續(xù)箱梁橋開裂因素有很多,但可以將其分為豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載兩大類,豎向預(yù)應(yīng)力是在荷載作用下造成連續(xù)箱梁橋彎曲的主要作用力。溫度荷載指的是箱梁頂板受到驟升、驟降溫度影響,箱梁頂板反復(fù)脹縮,內(nèi)、外壁出現(xiàn)溫差,導(dǎo)致腹板內(nèi)板和外板出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力,這兩個因素是在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要因素,可為仿真研究提供數(shù)據(jù)支持。
1.1豎向預(yù)應(yīng)力
豎向預(yù)應(yīng)力系數(shù)對箱梁的開裂影響較大。在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋受力過程中,受彎、扭、剪等各種力學(xué)效應(yīng)影響,導(dǎo)致箱梁橋結(jié)構(gòu)受力狀況非常復(fù)雜[3]。因此,在研究過程中,忽略橫正應(yīng)力及剪應(yīng)力,并在平面坐標(biāo)系中分析箱梁橋應(yīng)力狀態(tài),如圖1所示。
依據(jù)圖1所示混凝土應(yīng)力狀態(tài),計算主拉應(yīng)力,如式(1)所示:
(1)
式(1)中,充分考慮平面內(nèi)橫向正應(yīng)力λX和豎向正應(yīng)力λY及剪應(yīng)力kXY。根據(jù)上述公式,假設(shè)受到的應(yīng)力為正向拉力,豎向預(yù)應(yīng)力則為豎向正應(yīng)力λY≠0且λY<0,隨著豎向預(yù)應(yīng)力逐漸變大,主拉應(yīng)力卻不斷減小[4]。當(dāng)λX、λY達(dá)到設(shè)定閾值時,主拉應(yīng)力為0,此時說明混凝土連續(xù)箱梁橋無作用力,不會產(chǎn)生裂縫。因此,豎向預(yù)應(yīng)力大小對于箱梁梁體主拉應(yīng)力來說具有較大影響,這是引起梁橋開裂的敏感性因素[5]。
1.2溫度荷載
在自然條件下,由于混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的材料特性,當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時,其外部溫度變化很快,而內(nèi)部溫度保持恒定,引起混凝土上部結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大,變形嚴(yán)重[6]。當(dāng)變形限制過大時,結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生溫度應(yīng)力[7]。在溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度的情況下,溫度裂縫就會出現(xiàn),溫度應(yīng)力對箱梁橋開裂的影響已超過荷載應(yīng)力,這也是造成預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋開裂的主要原因。
溫度荷載計算公式如式(2)所示:
(2)
式中:E——混凝土彈性模量;
α——混凝土線脹系數(shù);
A1——梁橋平面面積;
A——整座橋面積;
e——梁橋平面重心軸與中心距離;
I——慣性矩。
在加固過程中,混凝土在懸挑0#砌塊時釋放水泥的水化熱,因0#塊體積較大,一次澆筑不容易發(fā)生水化熱傳遞。在施工期間未采取合理的散熱措施,當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高于外部溫度時,混凝土表面就會產(chǎn)生拉應(yīng)力[8]?;炷廉a(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時,也會產(chǎn)生裂縫。另外,在各分段懸臂施工中,舊混凝土澆筑段與新混凝土澆筑段連接部位之間因產(chǎn)生水化熱而形成溫度梯度,使開縫表面中部產(chǎn)生豎向裂縫[9]。另外,在混凝土養(yǎng)護(hù)階段和冬季施工期間,溫度變化很快,內(nèi)部和外部溫度不均勻,也是導(dǎo)致梁橋開裂的主要原因。
2建立仿真模型
確定引起在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要兩個因素是豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載后,應(yīng)用Ansys軟件對混凝土連續(xù)箱梁橋的裂縫進(jìn)行了模擬分析?;炷羷偠染仃嚺c預(yù)應(yīng)力筋剛度矩陣直接疊力口,可以反映預(yù)應(yīng)力筋剛度對構(gòu)件剛度的影響,從而可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋與節(jié)點混凝土直接連接。另外,在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間有很好的結(jié)合,滑移影響可以忽略。
對于預(yù)應(yīng)力研究,需通過對預(yù)應(yīng)力鋼筋單元施加等效溫度荷載,以此模擬等效溫度,計算公式如式(3)所示:
(3)
式中:F——有效外界作用力;
β1——線膨脹系數(shù);
β2——彈性模量;
β3——單根鋼筋面積。
根據(jù)等效溫度構(gòu)建實體仿真模型,如圖2所示。
采用立體式實體單元模擬箱梁部分,共有128000個單元,箱梁橋上鋪裝層采用shell93仿真方式,共模擬2700個單元,垂直方向的預(yù)應(yīng)力鋼梁和鋼筋之間采用三維單元連接,共20000個單元,整個實體模型元素總數(shù)為151297,共73327個節(jié)點。定義材料性能和每個單元實際參數(shù):Solid65和Shell93彈性模量為3.5×104MPa,容重為25kN/m3;三維單元Link8對應(yīng)縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼筋兩種材料性能和實際參數(shù),第一種彈性模量和第二種彈性模量分別為1.9×105m3和2.0×105MPa,泊松比均為0.3,容重均為78.5kN/m3。由此完成實體模型構(gòu)建。
3工況仿真
裂隙的產(chǎn)生與梁橋材料、質(zhì)量、施工環(huán)境及設(shè)計因素有關(guān),滿足混凝土配合比要求,可消除材料和結(jié)構(gòu)缺陷。頂板受力時,頂板縱向開裂是由于其橫向拉伸應(yīng)力太大所致,受恒載荷、活載荷和溫度載荷時,會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。與恒載荷和活載荷相比,溫度載荷是最不受重視的載荷,而溫度載荷則是產(chǎn)生和發(fā)展成裂縫的主要因素。
為進(jìn)一步研究影響溫度載荷的因素,實體模型中不僅考慮了恒載荷和預(yù)應(yīng)力,而且還模擬了三種不同的溫度模式。
模式1:不考慮頂板升溫狀況。
模式2:考慮頂板四個角升溫狀況,如表1所示。
模式3:以25℃為標(biāo)準(zhǔn),升高頂板溫度。
根據(jù)上述工況仿真內(nèi)容,可以組合成以下三種工況,分別是:
(1)工況1:恒載荷條件下,在溫度模式1下添加預(yù)應(yīng)力。
(2)工況2:恒載荷條件下,在溫度模式2下添加預(yù)應(yīng)力。
(3)工況3:恒載荷條件下,在溫度模式3下添加預(yù)應(yīng)力。
三種工況下的混凝土連續(xù)箱梁橋主拉應(yīng)力等值線圖如圖3~5所示。
從上述工況圖中可看出,主拉應(yīng)力等值線的走勢為順勢走向,與各個等值線呈平行趨勢。混凝土連續(xù)箱梁橋開裂方向與主拉應(yīng)力方向是垂直的,為此,等值線走勢能夠真實反映出開裂方向。
4仿真實驗
為驗證在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法的有效性,進(jìn)行了仿真實驗分析。
4.1工程概況
選擇某座懸臂式對稱澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,引橋采用20m、30m預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)梁。橋梁總長為1470.20m,整座橋梁分為兩部分,每部分寬11.128mo主要墩位為中空墩位,基礎(chǔ)為樁徑180cm群樁基礎(chǔ),引橋為D-120cm鉆孔樁的雙柱墩位。車輛設(shè)計載荷-20級以上,拖車設(shè)計載荷-120級以上。
橋梁在完成1/4跨徑和3/4跨徑連接后,在兩者之間的中軸線產(chǎn)生了斜裂縫。兩側(cè)面基本對稱,與橋梁的縱軸呈30°~45°角。此外,箱梁頂部和底部也出現(xiàn)長寬約0.1mm的縱向裂縫,裂縫呈間隙式發(fā)展。
4.2受力分析
在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋施工階段主梁截面受力點如圖6所示。
對于圖6中的受力變化如圖7所示。
圖7(a)中R1點正應(yīng)力隨著距離增加,呈下降→上升→下降→上升趨勢,在0.8~5m范圍內(nèi),正應(yīng)力<0MPa,在5~5.4m、5.4~5.8m范圍內(nèi),正應(yīng)力≥0MPa;R2點正應(yīng)力在距離為0m、5.4m時,正應(yīng)力=0MPa,其余均<0MPa;R3點正應(yīng)力均<0MPa。
圖7(b)中R4點在距離為0m、9m時,正應(yīng)力=0MPa,其余均<0MPa;R5點在距離為2m、4.8m 時,正應(yīng)力>0MPa;R6點在距離為7.3m時,正應(yīng)力=0MPa,其余均<0MPa;R6點在距離為6.5m時,正應(yīng)力=0MPa。
4.3實驗結(jié)果與分析
根據(jù)上述受力分析結(jié)果,分別使用熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析方法(P1)、統(tǒng)計氣象資料估計橋梁溫度分布方法(P2)、在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法(P3)分析主梁截面受力點縱向正應(yīng)力,對比結(jié)果如下頁表2、表3所示。
由表2可知,使用P3方法分析結(jié)果與圖7(a)所示受力結(jié)果一致,而使用P1和P2兩種方法分析結(jié)果與圖7(a)所示受力結(jié)果不一致。由此可知使用在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點頂面正應(yīng)力研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。
由表3可知,使用P1和P2兩種方法分析結(jié)果與圖7(b)所示受力結(jié)果不一致,而使用P3方法分析結(jié)果與圖7(b)所示受力結(jié)果一致。由此可知,使用在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點底面正應(yīng)力研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。
5結(jié)語
本文應(yīng)用ANSYS模型對連續(xù)箱梁施工階段的應(yīng)力和混凝土裂縫進(jìn)行了模擬分析,得出如下結(jié)論:
(1)連續(xù)箱梁橋彎曲截面受正應(yīng)力過大是引起開裂的主要原因。
(2)主梁橋的裂縫主要出現(xiàn)在施工階段,即在梁橋滿張力后,主拉應(yīng)力達(dá)到最大值,此時裂縫分布區(qū)域與實際連續(xù)箱梁橋?qū)?yīng)界面裂縫特征保持一致,底面和頂面正應(yīng)力增加了裂縫區(qū)域正應(yīng)力。
由于施工階段梁橋開裂位置變更不合理,導(dǎo)致整個預(yù)應(yīng)力鋼束張拉過程受力分析結(jié)果不全面,因此,在今后研究過程中,應(yīng)在特殊情況下分析梁橋結(jié)構(gòu),保證結(jié)構(gòu)的安全性。
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