連續梁橋底板橫向裂縫參數對其結構影響研究

高彤陽

(福州沈海復線高速公路有限公司,福建福州 350000)

連續梁橋底板橫向裂縫參數對其結構影響研究

高彤陽

(福州沈海復線高速公路有限公司,福建福州 350000)

連續梁橋的裂縫問題越來越嚴重,它影響了橋梁的耐久性和結構承載力。為了掌握裂縫參數對箱梁結構的影響,進而為既有橋梁安全性能的評定和加固提供依據,對此,以某連續梁橋為例,以箱梁底板裂縫開裂寬度、開裂深度為參數,運用Ansys模型分析以上裂縫參數變化對梁體應力和撓度的影響。

連續梁橋;底板橫向裂縫;裂縫參數;ANSYS模型

0 引言

中國橋梁的快速發展,預應力等截面連續梁因良好的抗彎性能、抗扭性能等優點廣泛用于公路或城市橋梁中。但實際應用中許多連續箱梁橋都有不同程度的開裂。箱梁開裂會使箱梁結構有效截面的面積減小、承載力減小、可靠性降低,嚴重影響橋梁結構安全及使用壽命。目前,連續箱梁橋開裂后的裂縫參數的變化對箱梁結構影響的研究較少,無法定量地對連續箱梁橋開裂后的承載力和耐久性作出有效評價,這也使得運營管理與養護部門在對開裂后的預應力等截面連續梁橋性能評定和維修加固時缺乏相應的依據。所以有必要對開裂連續箱梁橋進行裂縫參數對其結構的影響分析。

本文針對某座現役已開裂的連續箱梁橋為例,運用有限元分析軟件ansys進行模型分析,研究底板縱向裂縫的裂縫參數變化對梁體結構的影響,對了解橋梁的使用情況、評定橋梁的可靠度與耐久性有一定的理論價值,為后續的橋梁檢測與維修加固具有一定的指導價值。

1 連續梁橋裂縫種類及成因分析

連續箱梁橋由于設計考慮不全,施工不當或超載車輛及自身的養護加固不夠等原因,導致梁體存在大量病害。這些病害突出表現為梁體不同部位開裂的現象,現匯總如下:

(1)頂底板裂縫:

底板裂縫一般會出現在跨中的正彎矩區內,頂板裂縫常出現在墩頂的負彎矩區內,詳見圖1所示。這些裂縫通常是橫橋向的,它是因為作用在箱梁截面的彎矩較大,使作用在箱梁截面受拉邊緣的拉應力也很大,超過了混凝土的極限拉應力值,進而產生裂縫。頂底板裂縫首先產生在梁高的邊緣,然后順著梁高方向發展,跨中正彎矩區正裂縫沿著腹板向上延伸,墩頂負彎矩區正裂縫沿著腹板向下延伸。隨著荷載的增大,裂縫寬度逐漸增大,長度延伸,縫數增多,裂縫區域逐漸向兩側發展［1］。

圖1 頂板正裂縫、底板正裂縫示意圖

正裂縫的出現和開展減小了箱梁截面的受壓區高度,降低其抗彎剛度,增大了橋梁的撓度,嚴重時將降低橋梁的承載能力,使其服務功能下降,甚至還會危害到橋梁的安全性。

(2)腹板斜裂縫:

腹板斜裂縫出現在最大剪應力區域,詳見圖2所示。支座附近梁段同時受到剪切作用、彎曲作用,在剪切作用與彎曲作用相互交疊作用下使混凝土的主拉應力超過混凝土的抗拉極限強度值,進而產生了裂縫。腹板斜裂縫一般集中在跨到跨之間,且距離支座跨附近最多,裂縫開裂寬度一般在0.1 mm至0.5 mm之間。

圖2 腹板斜裂縫示意圖

(3)頂板縱向裂縫。這類裂縫一般出現在頂板與腹板的交接處,或箱梁翼緣間的濕接縫處,間斷或不間斷分布,局部混凝土會有碎裂現象,橋面防水層破壞,梁體的鉸縫滲漏,橫橋向的連接失效,導致單梁受力。

(4)腹板縱向裂縫。這類裂縫主要發生在靠近小箱梁底板20 cm處腹板的位置,分布在跨徑的1/4～3/4范圍,沿預應力鋼束方向對應的表面發生,裂縫開展處伴有混凝土離析。

(5)底板縱向裂縫。這類裂縫多沿預應力波紋管處間斷性開裂。

(6)此外,還存在許多不規則的裂縫,如梁體跨中處在腹板,頂板及底板上的環向裂縫,箱梁現澆段間的豎向裂縫,腹板及底板處放射狀裂縫等。

2 底板橫向裂縫參數影響分析

開裂后預應力等截面連續梁橋的承載力評估是在確定典型裂縫特征參數影響分析的基礎上完成的。典型裂縫(底板橫向裂縫)對開裂預應力箱梁的受力影響,隨后做出參數敏感性分析,確定出對開裂預應力箱梁影響大的參數、影響較小的參數,以及影響可以忽略的參數,以便在實際建模分析過程中著重考慮主要影響因素,忽略次要影響因素(影響較小或可以忽略的參數),進而對開裂預應力箱梁進行有理、有據、有效的分析。

2.1 計算模型

某橋為3跨40 m先簡支后連續預應力等截面箱梁橋,箱梁采用C40 混凝土,預應力鋼束為直徑15.24 mm的鋼絞線,其設計強度為1 860 MPa,彈性模量Ey =1.95×105MPa。設計安全等級為一級,汽車荷載等級為公路-I級,環境類別為I類。其力學性能滿足《預應力鋼絞線力學性能》(GB/T5224-1995)要求。

該橋的箱梁尺寸見圖3～圖6所示。由于支點截面與跨中截面差別不大,所以此橋視為預應力等截面箱梁橋。

圖3 平面圖

圖4 立面圖

圖5 支點截面圖

圖6 跨中截面圖

連續箱梁結構Ansys模型示意如圖7、圖8所示。

圖7 全橋結構Ansys離散圖

圖8 箱梁局部Ansys模型示意圖

以第一跨開裂為例進行底板橫向裂縫參數對結構受力狀態的影響分析,采用無量綱的參數。(1)第一跨底板橫向裂縫寬度的影響,分別調整第一跨跨中底板橫向裂縫寬度,觀察討論計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度,以及應力的影響。(2)第一跨底板橫向裂縫深度的影響,分別調整第一跨跨中底板橫向裂縫深度,觀察討論并計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度以及應力的影響。(3)第一跨底板橫向裂縫條數的影響,分別調整第一跨跨中底板橫向裂縫條數,觀察討論并計算分析其對第一個支點(橋墩處)、第二個支點(橋墩處)、一跨跨中、二跨跨中、三跨跨中的五個控制截面的撓度,以及應力的影響。

注1:在以下計算分析中,規定撓度以向下為負,向上為正;規定應力以拉應力為正,壓應力為負。

注2:以下計算結果中,增大值為負的話,表示實際是減小值,增加百分比為負的話,表示實際為減小百分比。

2.2 底板橫向裂縫寬度的影響

根據分析工況,假使箱梁跨中2 m范圍內出現了五條底板橫向裂縫,統計其裂縫的開裂寬度,即裂縫的總寬度:,選擇五個變化量,Δcr分別選擇為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm和0.25 mm。

依據截面分析法,以及有限元方法分析計算連續箱梁結構變形和控制截面混凝土應力,其計算結果如表1～表3所列。(注:表內跨中截面下緣面下緣混凝土的拉應力是名義拉應力,并不是真實的應力值。)

表1 各跨撓度隨裂縫寬度的變化一覽表

表2 各截面上緣應力隨裂縫寬度的變化一覽表

表3 各截面下緣應力隨裂縫寬度的變化一覽表

由以上對比分析的結果,可得到以下結論:

(1)各跨跨中撓度隨著第一跨底板橫向裂縫開裂寬度的增大而增大;混凝土上緣壓應力隨著第一跨底板橫向裂縫開裂寬度的增大而增大。

(2)當底板橫向裂縫從0.05 mm變到0.25 mm,各跨撓度變化增大百分比分別為40.4%,39.4% 10.8%;上緣壓應力分別為60.2%、-22.7%、-8.8%、2.9%、1.6%;下緣應力分別為 400.5%、17.4%、15.5%、-9.4%、-7.1%。

2.3 底板橫向裂縫開裂高度的影響

根據Ansys模型,分別計算得出箱梁結構控制截面各跨跨中撓度、跨中截面上下緣應力,其結果見表4～表6所列。

表4 各跨撓度隨裂縫深度的變化一覽表

表5 各截面上緣應力隨裂縫深度的變化一覽表

表6 各截面下緣應力隨裂縫深度的變化一覽表

由以上對比分析的結果,可得到以下結論:

(1)底板橫向裂縫所在跨(第一跨)和相鄰跨(第二跨)的撓度受其開裂深度的變化對裂縫所在跨和相鄰跨的撓度有點影響,而對其他各跨(第三跨)影響甚微。

(2)底板橫向裂縫所在跨(第一跨)和相鄰跨(第二跨)的應力受其開裂深度的變化對裂縫所在跨和相鄰跨的應力稍有影響,對其他各跨(第三跨)影響甚微,可忽略不計。

(3)預應力鋼束的有效預應力不受底板橫向裂縫開裂深度的變化的影響,對預應力鋼束的有效預應力基本無影響。

3 結論

本文對連續箱梁的開裂結構分別進行了裂縫參數影響分析,選取底板橫向裂縫處的裂縫寬度和裂縫深度為裂縫參數。通過建立Ansys有限元模型,以及對數據的整理和分析,可以得出以下的幾點結論:

(1)隨著底板橫向裂縫開裂寬度的增加,連續梁各跨的撓度和截面應力均有較大變化,其中底板橫向裂縫所在跨的變化幅度最大,其余各跨變化幅度較大,距離底板橫向裂縫越遠,變化幅度越小。

(2)隨著底板橫向裂縫開裂深度的增加,連續梁各跨的撓度和截面應力均有稍微變化,其中斜裂縫所在跨和相鄰跨的變化幅度大,其余各跨變化幅度很小,距離底板橫向裂縫越遠,變化幅度越小。

(3)通過參數敏感性分析,可以得到底板橫板橫向裂縫開裂寬度對開裂結構的受力性能影響最大,是最敏感的參數,底板橫板橫向裂縫開裂深度對開裂結構的受力性能影響較小,是不敏感參數。

［1］ 江亞雄，蔡丁錫，鄔曉光.底板縱向裂縫寬度對PC等截面箱梁剛度影響分析［J］.價值工程，2014，(3).

U441

A

1009-7716(2015)03-0152-03

2014-12-02

高彤陽(1982-),男,福建人,工程師,研究方向:橋梁、隧道工程。