連續剛構橋聚酯纖維混凝土0號塊受力性能研究*

熊淑軍 孫 皓 占小劍

(江西贛粵高速公路工程有限責任公司 南昌 330052)

預應力混凝土連續剛構橋受力充分利用了混凝土材料的受壓性能和鋼筋的抗拉性能,同時能夠提供平穩的行車效果,在橋梁工程中應用廣泛[1-3]。然而,連續剛構橋的0號塊為大體積混凝土,在澆筑過程中受到水化熱影響易產生收縮裂縫。針對混凝土開裂問題,纖維混凝土作為一種以傳統混凝土為基體的新型復合材料應運而生。研究表明,纖維材料摻入混凝土后能夠改善混凝土基體的內部結構,在不改變混凝土中各材料自身原有化學性能的同時,抑制混凝土的早期開裂,提升混凝土的綜合性能[4-5]。

連續剛構橋0號塊箱梁產生裂縫的主要原因之一就是混凝土早期收縮裂縫。為了減少0號塊箱梁早期收縮裂縫的產生,一些學者將纖維混凝土應用于箱梁中,結果表明,纖維混凝土的應用對裂縫產生具有良好的抑制效果[6]。此外,現有研究表明聚酯纖維混凝土是一種抗裂性能較好的纖維混凝土,聚酯纖維混凝土能夠降低混凝土早期收縮裂縫的產生[7]。同時聚酯纖維摻入混凝土能夠提高鋼筋混凝土的承載能力,改善構件的變形能力,避免構件出現脆性破壞[8]。聚酯纖維摻入混凝土后亦能提高混凝土抗壓強度,減少混凝土的早期收縮裂縫,這表明將聚酯纖維混凝土應用于易產生早期收縮裂縫的連續剛構橋0號塊,將能夠改善0號塊早期裂縫的問題。但目前聚酯纖維混凝土在橋梁工程中的應用研究相對較少,聚酯纖維應用于實際剛構橋后對剛構橋0號塊受力性能的影響有待進一步研究。

此外,連續剛構橋的0號塊是與橋墩相固結的部分,其內部構造復雜,使得0號塊處于復雜的三維應力狀態中。若使用桿系模型進行分析,則僅能考慮到0號塊的橋跨縱向受力,而未考慮到橫隔板的作用。因此,為0號塊的設計提供足夠的安全性和適宜的經濟性,需要建立全橋模型進行有限元分析,以獲得0號塊真實的力學響應,將結構的真實荷載反映到0號塊的實體模擬中。本文以江西省枇杷洲右溪連續剛構橋為工程背景,基于有限元軟件midas Civil和ANSYS,分別建立連續剛構橋空間模型和聚酯纖維摻入下的0號塊精細化模型,對聚酯纖維摻入下的0號塊后空間受力狀態進行研究。

1 工程概況

枇杷洲右溪連續剛構橋,跨徑組合為55 m+100 m+55 m,主梁采用C50混凝土,為變截面預應力混凝土箱梁,三向預應力體系。箱梁頂板寬12.8 m,底板寬6.9 m,翼緣板懸臂長為2.95 m。箱梁根部梁高6.2 m,跨中梁高2.8 m,箱梁高度按1.8次拋物線變化。各單“T”箱梁除0號塊箱梁外分為13對梁段,箱梁縱向分段長度為6×3.0 m+4×3.5 m+3×4.0 m,0號塊箱梁總長10 m,主橋邊中跨合龍段長度均為2 m,邊跨現澆段長度為3.86 m。主橋主墩采用C40混凝土,雙肢薄壁墩,單肢截面尺寸為6.9 m×2 m,雙肢間距為4.0 m。主梁0號塊箱梁在墩旁托架上現澆施工,箱梁采用掛籃懸臂現澆法施工,邊中跨合龍段采用吊架現澆施工,邊跨現澆段搭設支架上現澆施工,基礎采用承臺,鉆孔灌注樁。橋型布置和主梁節段劃分及主梁橫截面見圖1～圖3。此外,為分析連續剛構橋的受力特性,在連續梁橋施工的過程中對橋跨主梁關鍵截面的應力進行了監測,布置位置選擇施工過程中最不利的位置,分別為邊跨最大正彎矩截面、支點截面、中跨跨中截面,主梁應變監測斷面縱向布置圖見圖4。

圖1 橋型布置(單位:cm)

圖2 懸臂節段劃分示意圖(單位:cm)

圖3 0號塊箱梁根部與跨中截面示意圖(單位:cm)

圖4 主梁應變監測斷面縱向布置圖

2 連續剛構橋全橋有限元模型

2.1 模型建立

為研究聚酯纖維混凝土連續剛構橋在施工過程中的力學性能,根據工程設計實例的橋型布置與結構構造特點,選用midas Civil建立全橋有限元計算模型。在有限元模型中,橋梁各構件均采用梁單元模擬,全橋共145個節點,劃分為128個梁單元。主墩分為24個單元,上部箱梁結構分為104個單元。其中每個主墩上部的箱梁0號段考慮到橫隔板的影響劃分為6個單元;懸臂部分的梁段按照設計的13個塊段劃分為13個單元;跨中合龍段劃分為1個單元;邊跨合龍段劃分為1個單元,兩端的邊跨現澆段各劃分為1個單元,結構模型見圖5。

圖5 全橋有限元計算模型圖

2.2 模型驗證

為驗證全橋模型的準確性,選取連續剛構橋施工過程中0號塊箱梁端部2-2截面的應力監測數據與有限元計算值進行對比,工況分別為最大懸臂狀態、邊跨合龍,以及中跨合龍。圖6展示了3種工況下主梁2-2截面在預應力筋張拉后的應力計算值與監測應力值對比,由圖6可以看出,在3種工況下箱梁頂板及底板均為受壓狀態,壓應力數值符合相應規范要求;同時也可以看出實測應力值與模型計算值最大相差約30%,這驗證了全橋有限元模型的準確性。

圖6 關鍵施工工況下頂、底板應力監測值與有限元計算值對比

2.3 0號塊箱梁施工過程應力分析

圖7展示了0號塊箱梁端部2-2截面在各主梁節段預應力筋張拉后箱梁的頂板和底板應力變化情況。由圖7可見,該橋在懸臂施工過程中,主梁控制截面的頂板和底板均處于受壓狀態,主梁截面受壓而不產生拉應力,符合預應力混凝土構件的設計要求。隨著主梁各梁段預應力筋的張拉,主梁頂板與底板的壓應力不斷增加。此外,由圖7a)可見,連續剛構橋主梁6號梁段預應力筋張拉施工前,底板的壓應力值變化幅度不明顯,壓應力值較低,在實際工程中應關注箱梁底板的應力變化情況。

圖7 2-2截面在各主梁節段預應力筋張拉后的頂板和底板應力變化曲線

3 0號塊箱梁力學性能分析

3.1 模型建立

本文基于有限元軟件ANSYS對該橋0號塊箱梁建立了實體有限元模型,選取最大懸臂狀態和成橋狀態下對0號塊的應力狀態進行分析,依據圣維南原理,為避免荷載邊界對0號塊應力分布的影響,模型選取節段范圍為0號塊 + 1號塊 + 2號塊,0號塊為對稱結構,取橋梁中心線左側1/2模型進行計算,模型縱向長度為22 m,其中0號塊長度為10 m,模型總高度為16.2 m,橋墩高度為10 m。在模型中,混凝土采用Solid65單元,縱向、橫向、豎向預應力筋均采用link10單元進行模擬,采用降溫法模擬預應力,模型單元均采用自由網格劃分形式,尺寸為25 cm,混凝土單元劃分為四面體網格,預應力筋與混凝土間的連接采用約束方程來實現。為改善0號塊澆筑后早期裂縫的產生,施工過程中連續剛構橋0號塊摻入了0.9 kg/m3的聚酯纖維,材料參數見表1。為了在有限元分析中模擬0號塊中纖維分布情況,本文假設聚酯纖維于0號塊箱梁中呈縱橋向、順橋向、橫橋向均勻分布,并利用ANSYS中solid65單元特性,設置三向纖維體積率來模擬聚酯纖維在混凝土中的分布情況。為了提高計算效率,1/2模型縱橋向斷面均設置對稱約束,并將midas Civil全橋有限元模型計算得到2號塊端部在最大懸臂狀態和成橋狀態下的內力值作為2號塊端部內力邊界條件,其中,軸力和剪力等效為均布荷載,彎矩等效為一對力偶,將之以均布荷載形式施加在2號塊端部形心軸上、下兩側,荷載取值見表2。ANSYS混凝土幾何模型及預應力鋼束模型分別見圖8。

表1 聚酯纖維材料參數

表2 荷載邊界條件

圖8 0號塊箱梁有限元模型

3.2 最大懸臂狀態應力分析

圖9a)、b)為最大懸臂狀態下聚酯纖維混凝土0號塊箱梁縱橋向應力與主應力分布情況。由圖可以看出,頂板、底板整體處于受壓狀態,應力分布在-15.5～0.304 MPa之間,最大壓應力為-15.5 MPa,位于0號塊端部頂板下側,而最大拉應力出現在橫隔板位置,僅為0.304 MPa。此外,預應力筋錨固區和墩梁固結處小范圍內出現了應力集中。圖9c)為最大懸臂狀態下聚酯纖維混凝土與普通混凝土0號塊箱梁底板的橫向應力分布情況。由其可知兩者壓應力分布基本一致,由腹板至橋梁中心線范圍內,整體處于先增大后減小的趨勢,最小壓應力出現在腹板位置,而最大壓應力出現在距橋梁中心線約1.5 m位置處,底板應力分布在-4.6～-5.6 MPa之間,變化范圍約為1 MPa,底板應力分布較為平均。

圖9 最大懸臂狀態0號塊箱梁應力分布

3.3 成橋狀態應力分析

圖10a)、b)為成橋狀態下聚酯纖維混凝土0號塊箱梁縱橋向應力與主應力分布情況。由該圖可以看出,頂板、底板及腹板位置整體處于受壓狀態,拉應力主要出現在在橫隔板處。應力分布范圍為-17.2～0.294 MPa,最大壓應力為-17.2 MPa,位于0號塊端部頂板下側,而最大拉應力為0.294 MPa,位于過人孔位置。此外對比懸臂狀態下的應力云圖可以看出,成橋狀態下最大拉應力有所降低。圖10c)為成橋狀態下聚酯纖維混凝土與普通混凝土箱梁的底板橫橋向應力分布情況?？梢钥闯鼍埘ダw維混凝土0號塊箱梁應力峰值略微大于普通混凝土應力峰值,由腹板至橋梁中心線范圍內底板應力壓應力整體處于先增大后減小的趨勢,最小壓應力出現在腹板位置,而最大壓應力亦出現在距橋梁中心線約1.5 m位置處,應力分布為-2.75～-3.75 MPa,變化范圍約為1 MPa,底板應力分布較為平均?？梢钥闯龀蓸驙顟B下應力分布情況與最大懸臂狀態相似,但壓應力較后者而言整體更小。

圖10 成橋狀態0號塊箱梁應力分布

4 結論

以三跨連續聚酯纖維剛構橋為工程背景,采用midas Civil 有限元計算模型對關鍵截面應力進行分析,同時使用ANSYS有限元軟件建立聚酯纖維混凝土0號塊精細化模型進行空間受力分析,得到相關結論如下。

1) 在最大懸臂、邊跨合龍以及中跨合龍3種工況下箱梁頂板及底板均為受壓狀態,midas Civil有限元模型計算的連續剛構橋控制截面應力理論值與實測應力值的變化趨勢一致,誤差值小于30%,驗證了全橋有限元模型的準確性。

2) 連續剛構橋在最大懸臂和成橋施工狀態,主梁頂板、底板橫橋向應力變化規律一致且應力分布均勻,2種工況下頂板應力變化幅度不超過2.5 MPa,整體上腹板到橋梁中心線的應力比腹板到翼緣板的應力大,最小壓應力位于腹板附近;底板應力變化幅度約為1 MPa,最小壓應力位于腹板處,最大壓應力位于距橋梁中心線約1.5 m處。

3) 最大懸臂狀態和成橋狀態0號塊箱梁橫隔板部分位置出現拉應力,最大拉應力為0.305 MPa,需加強橫隔板位置處配筋。此外,預應力筋錨固處和墩梁連接處出現應力集中,需加強關注。