后張梁封端防水治理影響因素的數值模擬

黃 鵬，張 青，郭志強，黃建坤，石志飛

(1.神朔鐵路公司 運輸管理部，陜西 神木 719316;2.北京交通大學 土建學院，北京 100044)

0 引言

后張預應力梁封端滲漏治理是針對封端新舊混凝土結合處開裂發生滲漏、為提高梁的耐久性而采取的一種必要措施。目前，對于該類病害，已有一些治理方法，如唐山和懷柔北工務段采取“壓注封堵”的辦法來解決滲漏，以達到投資少見效快的目的。采用在梁體端面加做防水層結合上部鋪設防水卷材的方法對神朔線大柳塔—府谷段部分橋梁的滲漏病害進行了整體治理，效果明顯。由于封端端面處于支座受力區之外，因此，列車荷載、錨具應力等都不會對端面受力產生影響。而由自然氣候產生的溫度荷載、材料的熱物理性能以及施工缺陷是產生局部應力和發生界面脫黏的主要因素［1-2］，有必要考察這些因素對界面黏結應力的影響，以便在選擇防水材料時有充分的依據，對治理效果影響因素的評價，尚未見有報道。

本文采用ANSYS分析軟件，對上述問題進行了數值分析，研究了溫度、施工缺陷和材料參數等因素對封端力學性能的影響。研究表明所用施工方案是可行的，梁端力學性能對溫度、施工缺陷以及材料均具有可容性。

1 模型簡化

神朔線府谷段大多為橋梁廠生產的32 m跨度T形截面后張梁。在進行病害治理時，工序大致如下:基面清理和鑿毛、刷4 mm厚防水砂漿、再刷2 mm厚防水涂料。為便于分析又能滿足工程精度要求，做如下簡化:①將32 m T形梁端截面簡化為截面為800 mm×1 000 mm、長度為1 000 mm的懸臂梁;②防水砂漿取施工中的平均厚度4 mm，防水涂料厚度取2 mm，③梁體施工溫度取15℃，梁體上下左右4面設置空氣對流條件。大量試驗研究表明［3-4］，溫度荷載中，以變化急劇的日照溫差對混凝土結構的影響比長期緩慢的年氣溫荷載要大得多，所以，從最不利情況出發，只考慮梁端日照溫度變化的影響。設定梁端溫度變化范圍為-30℃ ～30℃，溫度變化間隔為10℃。分析模型及其它參數如圖1和表1所示。

圖1 梁端防水層示意

表1 混凝土梁體、防水砂漿和防水涂料相關參數

2 數值仿真與結果分析

在本文的數值模擬中，選用ANSYS提供的具有8個節點的三維實體單元 SOILD5，而后對溫度變化、施工缺陷以及材料參數變化等各種影響因素進行分析。

2.1 施工缺陷影響分析

假定防水涂料和防水砂漿黏結面上存在矩形脫黏(如圖2)，溫度從-30℃變化到30℃時，脫黏角點 A處的應力變化如圖3所示;當梁端端面溫度為30℃時，梁端溫度正應力云圖如圖4所示。

圖2 界面脫黏位置示意

圖3 A點處應力隨溫度變化曲線

圖4 梁端溫度正應力分布云圖

圖5 各點位置示意圖

計算發現，當梁端面中部防水涂料和防水砂漿黏結面上存在很小的矩形，最大正應力和最大剪應力均成線性變化規律，矩形脫黏界面周邊的最大正應力從-2.25 MPa變化到0.75 MPa，而最大的剪應力則從-0.4 MPa變化到1.2 MPa(如圖3)，最大拉應力出現在梁端端面溫度最高時。當梁端端面溫度為30℃時，從梁端溫度正應力分布云圖可以看出，溫度變化引起的黏結界面上的應力變化主要集中在拐角點附近，且該處應力明顯大于其它部位的應力(如圖4(a))。矩形脫黏角點A處出現應力集中現象(如圖4(b))，但是A點此時并非應力最大處。

進一步，假定防水涂料和防水砂漿黏結面上存在圓形脫黏(如圖5)，溫度從 -30℃變化到30℃時，脫黏面上1、2點處的應力變化如圖6和圖7所示。當梁端端面溫度為30℃時，梁端溫度應力云圖如圖8所示。

計算發現，當梁端面中部防水涂料和防水砂漿黏結面上存在很小圓形脫黏時，最大正應力和最大剪應力也成線性變化規律。從應力變化規律圖和應力分布云圖可以看出，圓形脫黏區域比方形脫黏區域引起的梁端部應力要小得多，溫度變化引起的黏結界面上的應力變化同樣主要集中在拐角附近，同時圓形脫黏區附近的應力分布更加均勻(如圖8)。

圖6 1號點應力隨溫度變化曲線

圖7 2號點應力隨溫度變化曲線

另外，在計算防水層與實體梁黏結完好工況時發現，應力集中僅發生在拐角附近。因此，梁端面中部的施工小缺陷，對梁端整體力學性能影響不大。工程中做好拐角處的圓弧處理是避免防水層開裂的有效手段。

圖8 梁端溫度正應力和剪應力分布云圖

2.2 彈性模量變化影響分析

圖9分別給出了25℃時，黏結界面上最大正應力和最大剪應力隨防水砂漿彈性模量變化而變化的關系曲線。

圖9 黏結面上應力隨防水砂漿彈性模量變化曲線

計算發現，梁體溫度為25℃時，黏結面上最大正應力與防水砂漿彈性模量成非線性關系(如圖9(a))。防水砂漿彈性模量從10 GPa變化到100 GPa時，最大正應力在0.74～0.78 MPa范圍內變化;同樣的梁體溫度，計算還發現，黏結面上最大剪應力與防水砂漿彈性模量也成非線性關系(如圖9(b))，防水砂漿彈性模量從10 GPa變化到100 GPa時，最大剪應力在-0.36～-0.22 MPa范圍內變化。

2.3 熱膨脹系數變化影響分析

圖10給出了25℃時，混凝土熱膨脹系數、防水砂漿熱膨脹系數和防水涂料熱膨脹系數分別變化時，防水砂漿與實體梁黏結界面上最大正應力和最大剪應力的變化曲線。

梁體溫度為25℃，混凝土熱膨脹系數、防水砂漿熱膨脹系數和防水涂料熱膨脹系數分別變化時，計算發現:防水砂漿與實體梁黏結界面上最大軸向正應力和最大剪應力的變化規律均呈線性關系。其中，以混凝土梁的熱膨脹系數對黏結界面的應力影響最大，當混凝土熱膨脹系數從0.9×10-5變化到1.5×10-5時，界面上最大軸向正應力在0.75～1.5 MPa范圍內變化，而最大剪應力從-0.32 MPa變化到-0.52 MPa。

圖10 黏結界面上應力隨材料熱膨脹系數變化

3 結論

數值分析表明，針對梁端面涂刷防水砂漿和防水涂料兩道防水工序，無論是材料參數變化還是施工小缺陷，對梁端整體力學性能影響均不大。由于普通防水砂漿與混凝土的黏結強度只能達到0.2 MPa到1.2 MPa［5］，不能滿足具有較高要求的工程需求;而聚合物類防水砂漿的黏結強度能夠達到1.2 MPa以上，這就為防水材料的選用提供了較大的范圍。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國交通部.JTGD60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］KEHLBECK F.太陽輻射對橋梁結構的影響［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB1002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］葉琳昌，葉筠.建筑物滲漏水原因與防治措施［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.