空心板鉸縫的破壞模式及有限元分析

(福州中咨工程咨詢有限公司，福州350001)

空心板鉸縫的破壞模式及有限元分析

■張海

(福州中咨工程咨詢有限公司，福州350001)

本文通過對裝配式空心板橋的試驗以及有限元模型模擬，旨在分析空心板鉸縫破壞全過程。通過研究發(fā)現(xiàn)鉸縫破壞分兩個階段：在鉸縫構造開裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度一致；隨著荷載增加，鉸縫底部首先開裂并逐漸形成通縫，空心板單板開裂，此時單塊空心板撓度趨于不平衡發(fā)展狀態(tài)。針對裝配式空心板鉸縫的問題，對鉸縫構造進行建議，為同類工程借鑒參考。

鉸縫試驗有限元不均勻分布

1 前言

鉸縫的破壞成為裝配式空心板橋梁最主要的病害形式[1]。裝配式空心板橋梁橫向傳導荷載的關鍵在于鉸縫，在重載交通、汽車沖擊荷載等因素影響下，鉸縫會逐漸發(fā)生破壞，鉸縫橫向傳力能力變?nèi)酰瑢е聠伟迨芰ΜF(xiàn)象，從而影響空心板整體受力性能。鉸縫破壞后會出現(xiàn)許多橋梁病害：鉸縫處滲水泛白、鉸縫處混凝土剝落、單塊板體嚴重下?lián)系鹊萚2]。本文針對新空心板標準圖，以一跨8m裝配式空心板橋作為試驗模型[3]，分別開展試驗研究和有限元分析。分析鉸縫在車輛荷載作用下破壞的全過程，同時利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立實體有限元模型來模擬鉸縫的破壞的全過程。

2 試驗模型及鉸縫破壞模式

2.1 試驗模型

本試驗按照新標準圖集新標準圖的8m鉸接空心板橋作為原型進行試驗模型的設計，共選取三塊空心板組成橋面板模擬試驗。設計空心板寬度1.24m，高度0.45m，計算跨徑7.96m，混凝土等級為C40(包括預制空心板、鉸縫、橋面鋪裝的混凝土)，鋼筋等級HRB335級(包括預制空心板、鉸縫、橋面鋪裝的鋼筋)。空心板截面構造、鉸縫構造、試驗模型截面構造如圖1～3所示。

圖1 試驗梁截面構造圖(單位：cm)

圖2 鉸縫構造圖(單位：cm)

圖3 鉸接空心板橋試驗模型橫斷面圖(單位：cm)

圖4 鉸縫鋼筋構造示意圖

鉸縫鋼筋構造示如圖4所示，鉸縫鋼筋包括四種：剪刀鋼筋、縱向鋼筋、底部構造鋼筋、預埋在頂部連接鋼筋(編號分別為1#、2#、3#、4#)。1#鋼筋沿縱橋向布置為Φ10@20cm。橋面鋪裝縱橫向鋼筋布置為Φ10@10cm，鋪裝厚度為10cm。在澆筑鉸縫混凝土之前，對鉸縫處各預制板連接面進行鑿毛清洗處理，在澆筑混凝土之前先用水濕潤模板、鉸縫處連接面等接觸面，鉸縫混凝土及橋面鋪裝混凝土一次整體澆筑完成。

由于前軸與后軸的距離大于試驗模型的跨徑，在選取荷載時利用不利荷載布置原則，選取車輛荷載(公路-Ⅰ級)后兩軸加載。為了便于加載，將車輛荷載轉化為均布荷載加載方式，利用橡膠支座來模擬均布荷載。橡膠支座尺寸沿縱橋向為200mm，橫橋向為600mm。荷載加載距離(中心)縱橋向為1.4m，橫橋向為1.8m。試驗加載位置示意圖如圖5所示。

圖5 試驗加載位置示意圖(單位：cm)

針對空心板的撓度測量，在各片空心板跨中、3/4跨處布置百分表用來測量1號、2號、3號空心板的撓度。為了了解在試驗過程中1號、2號鉸縫在受力狀態(tài)下的張開量，布置如圖6所示的百分表，布置地點同樣為空心板跨中、3/4跨處。

圖6 位移測量布置

試驗加載采用連續(xù)加載方式。試驗共采用2臺1200kN的油壓千斤頂，1臺油泵進行同時加載。橫橋向兩個加載點通過加載橫梁進行力的分配，在橫梁和反力梁之間布置力傳感器來控制加載大小。在彈性階段加載大小為預估加載值的3%進行逐級加載(10kN)，穩(wěn)壓2min后進行數(shù)據(jù)采集；在進入非線性階段后，加載大小減半(5kN)，數(shù)據(jù)采集在各數(shù)值穩(wěn)定后進行采集。

2.2 試驗結果

根據(jù)觀測到試驗現(xiàn)象，記錄下試驗破壞過程并進行分析：第一階段，彈性工作階段：兩個鉸縫表面完好，并未發(fā)現(xiàn)裂縫，同時鉸縫能均勻傳遞荷載，觀測到各空心板撓度一致，表明三塊空心板此時是共同受力的。第二階段，鉸縫開裂階段：當加載到70kN，即1.0倍車輛荷載(公路-Ⅰ級)，沿空心板與鉸縫的結合面跨中底部開始出現(xiàn)裂縫，此時各空心板撓度基本一致，三塊空心板基本能共同受力。第三階段，鉸縫結合面形成通縫階段：荷載不斷增加，三塊空心板在跨中位置均出現(xiàn)裂縫并橫向發(fā)展，裂縫沿空心板與鉸縫的結合面向上及縱橋向擴展并形成通縫，荷載為140kN(2.0倍車輛荷載)，此時各空心板撓度趨向于不一致狀態(tài)。第四階段，單板受力階段：由于鉸縫過度開裂，鉸縫完全退出工作，此時鉸縫兩側空心板相對位移明顯增大(撓度不均勻)，空心板橋進入“單板受力”階段。

圖7 各空心板荷載-撓度曲線

圖7為跨中截面和3/4跨截面的空心板荷載-撓度曲線，此圖能表面鉸縫的破壞過程。整個加載過程大致可以分為兩個階段(彈性階段、彈塑性階段)。彈性階段：在試驗加載初期(70kN以前)，三塊空心板荷載-撓度曲線基本吻合，斜率一致，表明三塊空心板共同受力，鉸縫能傳遞橫向荷載。當荷載增加至70kN時，兩個鉸縫跨中底部出現(xiàn)第一條裂縫，此時三塊空心板撓度基本一致，表明三塊空心板受力基本相同的。彈塑性階段：當荷載達到80kN時，1號、2號和3號空心板的跨中截面底部均出現(xiàn)第一條縱向裂縫，空心板進入彈塑性工作階段。此時三塊空心板跨中底部開始出現(xiàn)橫向裂縫并向兩側繼續(xù)發(fā)展，鉸縫裂縫向縱橋向發(fā)展。當試驗荷載約為300kN時，鉸縫完全形成通縫并退出工作，三塊空心板底部出現(xiàn)數(shù)量不等的裂縫，撓度不同且出現(xiàn)非線性變化趨勢，很明顯單板受力狀態(tài)。考慮到空心板破壞會產(chǎn)生不安全因素，停止加載并結束試驗。

圖8為1號和2號鉸縫在荷載-橫向張開量曲線。從圖中可以看出，在加載初期，橫向張開量隨荷載增加呈現(xiàn)出線性發(fā)展趨勢。在荷載約為70kN時，鉸縫底部出現(xiàn)第一條裂縫，此后曲線呈現(xiàn)出非線性增長趨勢，且兩個鉸縫張開量大小不一致。

圖8 鉸縫荷載-橫向張開量曲線

3 有限元模型及鉸縫破壞模式

3.1 試驗模型

利用大型有限元軟件ABAQUS建立裝配式空心板全橋模型。空心板和鉸縫構造混凝土采用C3D8單元模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元來模擬，鋼筋與混凝土之間關系、橋面鋪裝與預制橋面板之間均采用粘結(tie)來模擬。混凝土采用混凝土塑性損傷模型以及《混凝土結構設計規(guī)范》里規(guī)定本構模型、鋼筋采用理想彈塑性模型。空心板及鉸縫構造結合面采用法相軸拉粘結強度、結剪切強度、粘結滑移關系來確定。對于邊界條件，在模型兩端支座處通過約束位移來模擬各自支座。有限元加載則通過ABAQUS里剛性體來模擬試驗時的橡膠支座[4]。有限元模型如圖9所示。

圖9 裝配式空心板有限元模型

3.2 試驗結果

對有限元模型計算結果進行分析：當計算荷載為75kN(1.07倍車輛荷載)時，兩個鉸縫底部出現(xiàn)第一條裂縫；當計算荷載為85kN(1.21倍車輛荷載)時，三塊空心板底部均出現(xiàn)裂縫，同時鉸縫裂縫向兩端發(fā)展；當計算荷載為199kN(2.84倍車輛荷載)時，兩個鉸縫形成通縫，由于空心板裂縫太多鉸縫破壞導致計算模型不收斂而停止計算。

綜合試驗結果以及有限元分析結果，空心板鉸縫的破壞主要分為以下四個階段：第一階段：彈性工作階段。此階段鉸縫完好，空心板整體受力好。第二階段：鉸縫開裂階段。該階段鉸縫底部發(fā)生開裂，裂縫沿空心板與鉸縫的結合面向上擴展。第三階段：鉸縫破壞階段。隨著荷載的增大，鉸縫裂縫形成貫通，鉸縫不能傳遞橫向作用力，導致空心板單體受力。第四階段：單板受力階段。鉸縫破壞后，空心板的受力將大大增強，若不及時加固處治，則發(fā)生空心板破壞。

因此，裝配式空心板在受力狀態(tài)下首先破壞的是鉸縫，由于鉸縫的傳力被限制而導致空心板橋的受力不均的狀態(tài)，所以裝配式空心板最薄弱的部位是鉸縫。

試驗和有限元結果進行綜合，圖10為空心板跨中和3/4截面處試驗有限元荷載-撓度曲線。從圖中可以看出，在空心板發(fā)生開裂前，試驗和有限元值基本一致；在空心板發(fā)生開裂后，試驗和有限元值之間的存在一定的差別，但整體的變化趨勢是相同的。

圖11為1號鉸縫和2號鉸縫跨中截面處試驗有限元荷載-橫向張開量曲線。可以看出，在鉸縫開裂前跨中截面處的試驗和有限元值吻合良好；在鉸縫開裂后兩者之間的差別逐步明顯，試驗值比有限元值增長的較快。

綜合試驗和有限元結果，在荷載-撓度對比曲線及荷載-橫向張開量基礎上，得到以下結論：在鉸縫構造開裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度一致；鉸縫開裂并形成通縫后導致鉸縫傳力性能明顯下降，空心板單板受力情況比較明顯，同時由于空心板不均勻受力，使得各板的撓度呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

4 構造建議

裝配式橋梁鉸縫在設計時，是允許鉸縫出現(xiàn)輕微開裂、轉動來傳遞橫向荷載，鉸縫也成為裝配式空心板橋的最不利位置，試驗有限元也印證了鉸縫先于空心板破壞。在設計施工時可以通過構造措施來延緩鉸縫的開裂(不能限制鉸縫開裂)，保證裝配式橋梁整體受力性能。鉸縫構造措施主要考慮以下幾個方面：鉸縫構造形式、鉸縫內(nèi)填料、鉸縫與空心板結合面剛度等。可以從鉸縫構造形式來著手增強鉸縫的強度。

圖10 空心板荷載-撓度曲線對比圖

圖11 荷載-鉸縫橫向張開量曲線

圖12 鉸縫構造示意圖

圖12(a)(b)(c)給出的是三種不同鉸縫構造形式，他們的主要區(qū)別在于結合面構造鋼筋與鉸縫之間的錨固方式，這三類構造鋼筋均可以改善鉸縫受力性能[5]，其中鉸縫構造(三)的方案優(yōu)于前兩個方案。構造鋼筋錨固于空心板內(nèi)，同時延伸至橋面板能在一定程度上將空心板、鉸縫和橋面鋪裝三部分結合起來，形成整體受力，延緩鉸縫開裂。

5 結語

在鉸縫構造開裂前，鉸縫傳力性能良好，空心板的撓度較為一致；鉸縫構造開裂后導致鉸縫傳力性能下降，同時由于空心板發(fā)生開裂，各塊空心板撓度出現(xiàn)非線性變化且不一致。鉸縫是空心板橋的薄弱環(huán)節(jié)，建議采用一些構造措施延緩鉸縫在荷載作用下形成通縫，保證鉸縫與空心板整體受力基本一致。

[1]陳長萬,陳映貞.裝配式空心板橋鉸縫局部受力性能研究[J].公路交通技術,2016,(32):96-100.

[2]趙素鋒.鉸接空心板梁橋鉸縫病害機理分析與防治措施[J].中國港灣建設，2010(4)：15-17.

[3]王渠,吳慶雄,陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式試驗研究[J].工程力學,2014,(31):115-120.

[4]陳悅馳,吳慶雄,陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式有限元分析[J].工程力學,2014,(31):51-57.

[5]種永峰.空心板梁鉸接縫模型試驗研究[D]：[碩士學位論文].西安:長安大學，2008.