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      預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板裂縫影響因素研究

      2022-10-25 11:09:58韓宏偉苗建偉
      北方交通 2022年10期
      關(guān)鍵詞:主拉鋼束主應(yīng)力

      韓宏偉,苗建偉

      (山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司 濟(jì)南市 250000)

      0 引言

      腹板斜裂縫使得箱梁截面強(qiáng)度和剛度削弱,截面鋼筋易于銹蝕,導(dǎo)致橋梁耐久性及承載能力下降,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響[1]。雖然大量的橋梁工程從業(yè)者對(duì)箱梁橋的腹板產(chǎn)生裂縫進(jìn)行了探究,但是使用階段腹板發(fā)生開(kāi)裂的情況依舊存在,因而要繼續(xù)摸索解決之道。

      1 橋梁工程概況

      依托某連續(xù)剛構(gòu)橋(75+2×140+75)m,公路-Ⅰ級(jí)。設(shè)計(jì)截面采用單箱單室,跨中處梁高3.2m,橋墩處梁高8.3m,跨中-0號(hào)塊箱梁高度使用1.8次拋物線過(guò)渡,剛構(gòu)橋除布置縱向預(yù)應(yīng)力外,在橫向和豎向也施加了預(yù)應(yīng)力,其橫斷面見(jiàn)圖1。

      圖1 箱梁橫斷面圖

      2 豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

      為了方便研究箱梁腹板的受力情況,將腹板簡(jiǎn)化為薄壁結(jié)構(gòu),采用平面狀態(tài)來(lái)分析箱梁腹板的受力。腹板內(nèi)微小部分的應(yīng)力符合式(1)~式(3)。

      (1)

      (2)

      (3)

      式中:σx、σy、τxy依次代表腹板內(nèi)的縱向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)力;σc、σl分別表示混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度;Qn代表剪切力;Sy代表截面凈距;I代表截面的慣性矩;bw代表腹板厚度。

      (4)

      (5)

      分析得到:箱梁縱向正應(yīng)力滿足規(guī)范,可以通過(guò)兩種方式降低腹板內(nèi)主拉應(yīng)力:合適的豎向預(yù)加力、降低腹板內(nèi)剪切應(yīng)力。

      圖2 剛構(gòu)橋模型

      使用ANSYS建立橋梁模型如圖2,混凝土使用SOLID45單元,預(yù)應(yīng)力筋使用LINK8單元,鋼筋和混凝土之間進(jìn)行耦合連接。

      研究箱梁腹板受力,選取某一施工過(guò)程為例,程序中只考慮結(jié)構(gòu)自身重力和預(yù)應(yīng)力,以三個(gè)節(jié)點(diǎn)(腹板頂部、腹板中點(diǎn)、腹板底部)為例進(jìn)行研究,通過(guò)施加100%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力、60%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力、40%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力模擬不同豎直方向預(yù)應(yīng)力損失時(shí),腹板三個(gè)特殊點(diǎn)的主應(yīng)力,數(shù)據(jù)整理繪制圖3~圖5。

      圖3 ①號(hào)位置主應(yīng)力曲線

      圖4 ②號(hào)位置主應(yīng)力曲線

      圖5 ③號(hào)位置主應(yīng)力曲線

      仔細(xì)研究分析圖3~圖5可知:豎向預(yù)應(yīng)力與箱梁腹板內(nèi)的主應(yīng)力是有聯(lián)系的,預(yù)應(yīng)力損失越大,那么主拉應(yīng)力越大,同時(shí)主壓應(yīng)力越小;換而言之,施加適當(dāng)?shù)呢Q向預(yù)加力,能夠減小主拉應(yīng)力,提高相應(yīng)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

      因而橋梁工程師在進(jìn)行箱梁橋設(shè)計(jì)工作時(shí),要有超前意識(shí),不僅僅立足于當(dāng)前設(shè)計(jì),還要考慮后續(xù)漫長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)期,采取一定措施以保證施加預(yù)應(yīng)力的有效性。

      (1)改良豎向預(yù)加力的錨固形式,即將常規(guī)的錨具改良為整體錨墊板,除了能夠保證有效的豎向預(yù)加力,還能夠提高整體工作性能,改善傳統(tǒng)錨具之間的受力性能(減小或者使兩根鋼束之間的預(yù)應(yīng)力盲區(qū)消失)。

      (2)將傳統(tǒng)的豎向預(yù)應(yīng)力筋改進(jìn)為布置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋,即預(yù)應(yīng)力筋由直線改進(jìn)為U形,這種改變可以提高預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度,對(duì)于保證有效預(yù)應(yīng)力具有很大幫助;預(yù)應(yīng)力鋼束采用U形時(shí),相應(yīng)的張拉方式也變?yōu)榱藘啥藦埨?,相比一端張拉,兩端張拉可以更能保證灌漿質(zhì)量,更加有效地保證豎向預(yù)加力發(fā)揮應(yīng)有的作用。

      (3)調(diào)整常規(guī)的豎直布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束為傾斜布置(與豎直方向存在一定角度,保證預(yù)應(yīng)力與主拉應(yīng)力處于相同方向),有一定傾角能夠最大化使用預(yù)加應(yīng)力,同時(shí)能夠減少兩鋼束縱橋向間距,改善鋼束間的預(yù)應(yīng)力盲區(qū),從而可以減緩腹板開(kāi)裂。

      3 腹板下彎鋼束對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

      為了研究腹板下彎鋼束的作用,選擇了兩個(gè)布筋方案進(jìn)行探究:

      (1)橋墩左右四分之一跨徑內(nèi)設(shè)計(jì)腹板下彎鋼束,箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設(shè)置豎向鋼束。

      (2)橋墩左右四分之一跨徑內(nèi)不設(shè)計(jì)腹板下彎鋼束,將腹板下彎束等效成同樣數(shù)量的頂板束,箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設(shè)置豎向鋼束。

      使用邁達(dá)斯建立橋梁模型如圖6,橋梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐謪⒖际┕ち憾魏驼鎸?shí)截面變化情況,總計(jì)177個(gè)單元、201個(gè)節(jié)點(diǎn)。

      圖6 連續(xù)剛構(gòu)橋模型

      通過(guò)所建模型求解分析,可得到剛構(gòu)橋各梁段截面正常使用極限狀態(tài)下腹板中心的主拉應(yīng)力,本橋?yàn)樗目鐚?duì)稱結(jié)構(gòu),因此選擇左半部分(0~215m)腹板中心處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制出其主拉應(yīng)力曲線見(jiàn)圖7。

      圖7 連續(xù)剛構(gòu)左半部分腹板中心主拉應(yīng)力曲線

      通過(guò)圖7可得:當(dāng)沒(méi)有設(shè)置腹板下彎束的時(shí)候橋墩兩側(cè)四分之一跨徑內(nèi)主拉應(yīng)力普遍顯著升高,腹板下彎束在很大程度上能夠影響主拉應(yīng)力。因此進(jìn)行箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在腹板內(nèi)既設(shè)置豎向鋼束又設(shè)置腹板下彎束,協(xié)同工作從而保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中箱梁腹板內(nèi)的有效預(yù)應(yīng)力,抑制裂縫的產(chǎn)生。

      4 腹板厚度對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

      為了提高箱梁橋的跨越能力,橋梁設(shè)計(jì)中通常通過(guò)把腹板變薄從而降低自重。但是,不容忽視的是腹板厚度對(duì)于改善箱梁腹板應(yīng)力貢獻(xiàn)顯著,本節(jié)對(duì)此進(jìn)行探究,腹板厚度樣式見(jiàn)表1。

      表1 箱梁腹板厚度樣式

      采用第3節(jié)模型,保持其他條件相同,只按照表1的形式改變腹板厚度,同樣選擇左半部分(0~215m)腹板中心處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制出承載能力極限狀態(tài)主拉應(yīng)力曲線見(jiàn)圖8。

      圖8 連續(xù)剛構(gòu)左半部分腹板中心主應(yīng)力曲線

      通過(guò)圖8可得:這四種腹板類型中,類型D主拉應(yīng)力最大,這種類型控制腹板開(kāi)裂最差;腹板厚度形式不同,主拉應(yīng)力曲線也相應(yīng)的有所差別,受其影響最明顯的是30~125m和175~215m兩個(gè)段落;橋墩左右兩側(cè)腹板的主拉應(yīng)力最大,自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢(shì)。因此橋梁設(shè)計(jì)工作中,腹板的厚度在橋墩左右兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)大些,靠近跨中的一定區(qū)域內(nèi)腹板厚度宜適當(dāng)?shù)谋∫恍?,二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過(guò)渡。

      5 結(jié)論

      (1)豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大導(dǎo)致鋼束未能發(fā)揮預(yù)期作用,箱梁設(shè)計(jì)時(shí)可以將豎向鋼束傾斜布置、環(huán)向布置或者使用整體錨墊板等措施改進(jìn),保證有效預(yù)應(yīng)力。

      (2)橋墩左右四分之一橋跨內(nèi)設(shè)置腹板下彎束能夠降低本范圍的腹板主拉應(yīng)力;同時(shí)橋梁運(yùn)營(yíng)中豎向預(yù)應(yīng)力的損失導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足,腹板下彎束對(duì)于提高應(yīng)力儲(chǔ)備、降低腹板開(kāi)裂的貢獻(xiàn)作用就更加凸顯。

      (3)橋墩左右兩側(cè)腹板的主拉應(yīng)力最大,自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢(shì)。因此橋梁設(shè)計(jì)工作中,腹板的厚度在橋墩左右兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)大些,靠近跨中的一定區(qū)域內(nèi)腹板厚度宜適當(dāng)?shù)乇∫恍?,二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過(guò)渡。

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