預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋底板空間折角效應(yīng)研究★

張冬冬 趙啟林 黃亞新

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁橋由于其受力合理、結(jié)構(gòu)剛度大、跨徑較大、線形美觀、橋面行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但是，部分橋梁在施工和運(yùn)營(yíng)過程中，箱梁底板接縫處(尤其是跨中合龍段附近接縫處)出現(xiàn)多種形式的縱向裂縫，現(xiàn)已成為比較常見的橋梁病害。

關(guān)于箱梁底板接縫處縱向裂縫的成因，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了相關(guān)的研究［1-8］。但是這些研究基本上都是從施工誤差角度出發(fā)，而未考慮施工時(shí)結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造的影響，并且其研究對(duì)象都局限于合龍段，其結(jié)論普遍認(rèn)為只是由于合龍段施工誤差導(dǎo)致鋼束定位成折線形，從而導(dǎo)致折點(diǎn)處應(yīng)力集中。實(shí)際上，除底板接縫段接縫處，即使避免了合龍段鋼束定位的施工誤差，合龍段及其附近梁段接縫處也會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫，這說明應(yīng)從其他方面而非僅僅從合龍段鋼束定位的施工誤差因素來考慮接縫處縱向裂縫的成因。

本文從梁段底板接縫處應(yīng)力傳遞機(jī)理出發(fā)，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0數(shù)值模擬方法來對(duì)箱梁底板空間折角效應(yīng)作一定性分析，以證明箱梁自重效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)引起的空間折角效應(yīng)是底板接縫處縱向裂縫的重要因素。

1 箱梁接縫處縱向裂縫成因分析

連續(xù)箱梁橋底板在設(shè)計(jì)階段縱向一般呈拋物線型布置，箱梁梁段底板及底板預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)中是平滑過渡的，但在實(shí)際懸澆施工中，是通過多段直線來模擬曲線，這樣底板在縱向梁段接縫處存在很多的折角(見圖1)。

圖1 梁段接縫處示意圖

底板折角效應(yīng)是指箱梁受到預(yù)應(yīng)力以及自重作用時(shí)，由于底板與頂板厚度較薄，底板縱向應(yīng)力沿板的長(zhǎng)度方向流動(dòng)，在底板折角位置盡管應(yīng)力值相等，但應(yīng)力的方向不一致，無法形成自平衡，于是在折角位置形成類似于預(yù)應(yīng)力徑向力的分力作用q(見圖 2)，其中，q=q1sinθ1－ q2sinθ2，導(dǎo)致底板產(chǎn)生豎向的形變，而這種豎向變形受到腹板約束作用在橫向的分布是不一致的，從而形成了腹板位置豎向變形小、底板中間位置變形大的空間折角效應(yīng)(見圖3)。

圖2 空間折角效應(yīng)應(yīng)力傳遞途徑

圖3 跨中底板接縫處空間變形

2 ANSYS有限元建模

2.1 模型參數(shù)

本文變高度實(shí)體模型的建立依托于泰州長(zhǎng)江公路大橋夾江大橋夾江左汊主橋，它為跨徑(87.5+3×125+87.5)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，梁體采用變高度單箱單室直腹板截面。125 m跨中支點(diǎn)處梁高7.5 m，兩側(cè)梁高從距主墩中心2.0 m處開始在55.5 m長(zhǎng)度內(nèi)按圓曲線變化到4 m，其他梁段梁高均為4 m。箱梁頂板寬16.0 m;底板寬7.5 m;頂板厚度為25cm，中支點(diǎn)兩側(cè)變高度梁段底板厚度按圓曲線由28cm變化到100cm，其他梁段底板厚度一般為28cm～60cm;腹板厚度為50cm～100cm，由跨中到支點(diǎn)按折線變化。

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力采用19φs15.2規(guī)格的鋼絞線束。鋼束張拉錨下控制應(yīng)力采用σcon=0.74fpk=1376.4 MPa。波紋管直徑為100mm。其底板預(yù)應(yīng)力鋼束如圖4所示。

圖4 箱梁跨中底板預(yù)應(yīng)力鋼束立面布置圖

2.2 ANSYS建模

采用大型通用有限元程序ANSYS10.0，能夠正確反映底板束對(duì)箱梁的作用效應(yīng)及自重效應(yīng)。

分別建立兩種實(shí)體模型，其中模型一為變高度箱梁，選取前述實(shí)橋主跨跨中92 m(跨中10 m為直線段)梁段(見圖5a));模型二為等高度箱梁，梁高為4 m，其他橫截面參數(shù)與模型一相同(見圖5b))。對(duì)上述兩種模型，分別在兩種工況下進(jìn)行建模與計(jì)算:工況1不計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只計(jì)自重作用;工況2不計(jì)自重作用，只計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只選取底板預(yù)應(yīng)力鋼束中的一對(duì)鋼束(最長(zhǎng)索)進(jìn)行分析。

圖5 梁段實(shí)體模型

混凝土采用Soild45實(shí)體線彈性單元;采用初始應(yīng)變法來模擬預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束單元選用Link8;網(wǎng)格劃分采用六面體映射網(wǎng)格劃分模式，整個(gè)模型中底板網(wǎng)格劃分較密，以便能較精確地反映底板和實(shí)際工作情況，而其他位置則采用了較稀疏的網(wǎng)格(見圖6);約束為一端固支，一端鉸支。設(shè)縱橋向?yàn)閆方向，豎橋向?yàn)閅方向，橫橋向?yàn)閄方向。

圖6 橫截面網(wǎng)格劃分

錨固力按一束鋼束(最長(zhǎng)索)作用時(shí)進(jìn)行加載，施加一集中力Np=4745.43 kN，按實(shí)際錨固位置進(jìn)行加載。

3 結(jié)果分析

分別提取8 m～82 m梁段底板底緣中點(diǎn)沿橋縱方向的橫向應(yīng)力，分別在兩種工況下對(duì)其趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7，圖8所示。

由以上趨勢(shì)對(duì)比可得出，在預(yù)應(yīng)力和自重作用下，等高度和變高度箱梁底板底緣中點(diǎn)處的橫向應(yīng)力沿橋縱向分布的趨勢(shì)明顯不一致。其中等高度箱梁的變化趨勢(shì)比較平緩，而且數(shù)值也比較小;變高度箱梁橫向應(yīng)力的數(shù)值比較大，而且趨勢(shì)變化很大，尤其是在跨中合龍段折角處落差很大。可以表明，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和自重引起的底板折角效應(yīng)會(huì)造成梁段接縫處橫向應(yīng)力的突變，其中自重引起的折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)力引起的折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于大跨徑變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固力和箱梁自重作用下，接縫處會(huì)產(chǎn)生空間折角效應(yīng)，使得橫向正應(yīng)力過大。其中自重引起的空間折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)鋼束錨固力引起的空間折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

圖7 鋼索錨固力作用下箱梁底板底緣中點(diǎn)橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢(shì)

圖8 自重作用下箱梁底板底緣中點(diǎn)橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢(shì)

2)在梁段所有的接縫處中，主跨跨中合龍段附近的空間折角效應(yīng)最明顯。合龍段的縱向裂縫不僅是合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束定位不準(zhǔn)確而造成的應(yīng)力集中，而且錨固力和自重引起底板空間折角效應(yīng)也是造成合龍段縱向裂縫的重要因素。

3)連續(xù)箱梁橋梁高的變化盡可能采用較平緩的曲線，以盡量減小在懸臂澆筑施工中接縫處的折角，從而減小接縫處的空間折角效應(yīng)。

4)應(yīng)盡可能的減小梁體自重，使結(jié)構(gòu)變得輕型化;在保證結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力合理的情況下，適當(dāng)提高合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束的配束，并對(duì)底板所有的預(yù)應(yīng)力束的布置進(jìn)行優(yōu)化。

5)橫隔梁可以增強(qiáng)底板的橫向抗彎剛度，降低橫向彎曲導(dǎo)致的底板橫向應(yīng)力，因此在跨中設(shè)置一定數(shù)量的橫隔梁是必要的。而且橫隔梁適合設(shè)置在合龍段的接縫位置，這樣也有利于控制錨固力引起的空間折角效應(yīng)。

［1］ 何 海.變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋底板縱向裂縫成因分析及防治［J］.中南公路工程，2001，26(3):61-62.

［2］ 潘鉆峰，呂志濤.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋主跨底板合龍預(yù)應(yīng)力束的空間效應(yīng)研究［J］.世界橋梁，2006(4):36-39.

［3］ 嚴(yán)允中.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板崩裂原因及預(yù)防措施［J］.公路交通技術(shù)，2006，12(6):101-104.

［4］ 頡明軍.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫成因分析及防治措施［J］.山西建筑，2007，33(19):298-299.

［5］ 羅文林.連續(xù)箱梁剛構(gòu)橋合龍段常見問題分析［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2009，6(3):55-58.

［6］ 任 嶠.淺析連續(xù)剛構(gòu)橋縱向裂縫的成因［J］.中國(guó)水運(yùn)(理論版)，2006，4(5):61-62.

［7］ 陳露曄，陳 瑤.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋底板外崩及對(duì)策研究［J］.華東公路，2008，2(1):43-46.

［8］ 魏樂永，沈旭東，肖汝誠(chéng)，等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁底板崩裂破壞的機(jī)理及其對(duì)策［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(2):53-57.