溫度應(yīng)力對鋼筋混凝土空心板梁橋裂縫病害的影響分析

溫度應(yīng)力對鋼筋混凝土空心板梁橋裂縫病害的影響分析

0鉸縫是裝配式板梁橋的薄弱部位,使用過程中受精于整體安裝的預(yù)制混凝土板梁橋主要采用安裝方式，通常采用空心板梁的形狀。鉸縫是裝配式板梁橋的關(guān)鍵部位,其結(jié)構(gòu)的抗震性、整體穩(wěn)定性,主要取決于鉸縫連接的好壞。鉸縫是裝配式板梁橋的薄弱部位,使用中幾乎所有的裝配式板梁橋縱縫都出現(xiàn)了不同程度的破壞。為探討鉸縫破壞的原因,現(xiàn)以河北省某裝配式鋼筋混凝土空心板梁橋?yàn)槔?考慮溫度場變化、車輛行駛工況,采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行受力分析,找出受力薄弱部位,并就橋鉸縫處的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析和計(jì)算。1空心板鉸縫的有限元模型用大型的有限元分析軟件ANSYS對裝配式空心板梁橋的鉸縫進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,找出其復(fù)雜的受力狀態(tài)及破壞機(jī)理。該裝配式空心板梁橋由13個(gè)空心板進(jìn)行拼裝焊接而成,且兩空心板連接處現(xiàn)澆混凝土形成鉸縫,其尺寸如圖1所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型有分離式、組合式、整體式3種。空心板和鉸縫分別選用SOLID65單元和SOLID45單元?？招陌逵捎阡摻畈贾脧?fù)雜不規(guī)則進(jìn)行整體建模,空心板與鉸縫相接觸的節(jié)點(diǎn),采用耦合的方法對其x、y、z自由度進(jìn)行約束,采用的混凝土分別為C50和C30?？玳L16m,采用簡支約束,整體模型如圖2,x為橫向,y為豎向(規(guī)定向上為正),z為縱向。1.1有限元分析結(jié)果影響混凝土溫度分布的外部因素主要是大氣溫度的變化。由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小,導(dǎo)致每層混凝土所得到的或擴(kuò)散的熱量有較大差異,形成非線性分布的溫度狀態(tài)。這就在很大程度上影響橋梁內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布。橋梁所在地的四季溫度如表1所示。圖3、圖4為春季溫度下,有限元分析得到的板橋鉸縫的位移、應(yīng)力云圖。將四個(gè)季節(jié)溫度下的結(jié)果進(jìn)行比較,其數(shù)據(jù)如表2。分析結(jié)果可知:不論施加何種溫度場,板梁橋鉸縫的應(yīng)力和應(yīng)變都比只考慮重力時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變大,而且溫度場的梯度越大,差值會(huì)越大。四季溫度場下鉸縫的最大拉應(yīng)力值均高于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度,鉸縫處早已出現(xiàn)裂縫。夏季時(shí)板橋鉸縫的位移較春季和秋季大,其最大拉應(yīng)力分別比春季,秋季大69%、102%,故拉應(yīng)力是導(dǎo)致鉸縫破壞的主要因素?；炷翆?dǎo)熱較慢,上下表面溫差大,溫度場分布呈非線性狀態(tài),膨脹收縮不一致,產(chǎn)生拉應(yīng)力過大進(jìn)而形成裂縫。冬季溫度處于零下,其拉應(yīng)力小于其它季節(jié),但壓應(yīng)力高達(dá)4.137MPa,與拉應(yīng)力形成反復(fù)荷載,加速了鉸縫的破壞。1.2行駛工況下有限元分析結(jié)果車輛的行駛狀況在很大程度上影響橋梁鉸縫處的受力狀態(tài),從而影響橋梁的使用壽命?，F(xiàn)以4種工況進(jìn)行受力分析研究,車輛布載如圖5所示。圖6、圖7分別為工況一時(shí)鉸縫處的豎向位移和拉應(yīng)力圖。工況一:2輛車偏載在橋兩側(cè)時(shí),車輪著力點(diǎn)全不在鉸縫處;工況二:2輛車偏載在橋兩側(cè)時(shí),車輪著力點(diǎn)全在鉸縫處;工況三:4輛車共同行駛在橋中,車輪著力點(diǎn)全不在鉸縫處;工況四:4輛車共同行駛在橋中,車輪著力點(diǎn)全在鉸縫處。表3為上述4種不同的車輛行駛工況時(shí)有限元分析的結(jié)果。在任何加載情況下,縱向拉應(yīng)變均小于同一位置的橫向拉應(yīng)變,致使結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生縱向裂縫?？v向產(chǎn)生裂縫之后,板梁橋的有效寬度變窄,此時(shí)縱向應(yīng)變增大,由于縱縫的產(chǎn)生,使得橫向極限應(yīng)變解脫,而縱向應(yīng)變上升為極限應(yīng)變,最后導(dǎo)致在縱向裂縫之間產(chǎn)生了橫向的次生裂縫。經(jīng)對比可知車輛荷載越多,鉸縫處的位移、應(yīng)力、應(yīng)變越大;在相同的車輛荷載作用下,當(dāng)車輪力直接作用在鉸縫處時(shí),其位移、應(yīng)力、應(yīng)變明顯高于車輪荷載沒有直接作用于鉸縫處。四車道均有行車時(shí),車輪直接作用于鉸縫處比沒有直接作用的最大拉應(yīng)力大40.5%,縱向最大拉應(yīng)變大25.4%,最大剪應(yīng)力大371.4%,但是橫向最大拉應(yīng)變卻相差不多。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范板類構(gòu)件的抗剪承載力為V≤0.7βhftbh0=600N,工況二、四的受剪承載力高于規(guī)范所得的抗剪承載力,故剪應(yīng)力應(yīng)是導(dǎo)致鉸縫破壞的主要因素。上述有限元模型計(jì)算的前提是空心板與鉸縫鉸結(jié),分析得到鉸縫的豎向位移較大,那么鉸縫處的填充材料除應(yīng)具有較強(qiáng)的抗拉抗剪能力外,還要有很好的抵抗變形能力?，F(xiàn)假定空心板與鉸縫之間無黏結(jié),變形獨(dú)立,那么空心板與鉸縫的最大豎向位移差則應(yīng)是鉸縫填充材料的極限位移。工況一、三最大豎向位移差分別為-23.055mm和32.649mm,比鉸結(jié)情況下鉸縫位移大7.44%,5.78%。工況二、四的最大豎向位移差卻高達(dá)168.097mm。因而應(yīng)從抗剪性和抵抗變形性兩個(gè)方面綜合選擇鉸縫的填充材料。2混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橋梁鉸縫不僅影響橋梁的受力性能,同時(shí)也會(huì)影響鋼筋的銹蝕,影響其物理力學(xué)性能,從而影響橋梁的工作性能。為保證橋梁的質(zhì)量,延長其使用壽命,從設(shè)計(jì)到材料的選用、施工、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)管理等方面均應(yīng)采取必要措施預(yù)防鉸縫損壞的發(fā)生。綜合分析采取以下主要措施,效果比較明顯:1)在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),須考慮到超載等各種現(xiàn)實(shí)情況,使橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算始終處于安全狀態(tài)。要考慮到當(dāng)混凝土凝結(jié)降溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫,設(shè)置后澆帶,以減少混凝土開裂的幾率。2)采取措施增加鉸縫的抗剪能力。適當(dāng)加大鉸縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸,以插入式振搗器能正常工作為宜,使鉸縫內(nèi)混凝土能夠得到充分振搗。同時(shí)行車道板內(nèi)的鋼筋應(yīng)伸入鉸縫內(nèi)。另可適當(dāng)增加鉸縫鋼筋,以加強(qiáng)行車道板的橫向聯(lián)結(jié)。3)保證橋面防水混凝土鋪裝層有足夠的厚度,以提高其剛度和強(qiáng)度。最小厚度必須保證不小于8cm。4)現(xiàn)在有一種新的材料(纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料),英文縮寫ECC,其具有控制裂縫產(chǎn)生的能力,抗疲勞性能良好,平均裂縫寬度低于100μm,抗?jié)B效果顯著,抗拉應(yīng)變能達(dá)到2%以上,另外它不含粗骨料,質(zhì)量比目前采用的橋面鋪裝材料輕,對抑制裂縫的產(chǎn)生效果較顯著。5)加大橋面鋪裝層混凝土與鉸縫混凝土、空心板混凝土間的聯(lián)結(jié),使其整體受力?？梢圆捎冒屙斃?焊接梁體頂面預(yù)埋伸出的抗剪鋼筋與鋪裝層內(nèi)加鋪鋼筋網(wǎng)的措施。3鋼結(jié)與鉸縫破壞機(jī)理板梁間的鉸縫是直接影響橋面系的整體受力性能的重要結(jié)合部,也是單片板梁確保其承受的荷載符合按鉸接板法分配計(jì)算結(jié)果的必要前提。鉸縫承擔(dān)著板梁間傳遞內(nèi)力并約束位移的關(guān)鍵作用。也就是說,一旦鉸縫的聯(lián)系作用被削弱,將使實(shí)際受力情況脫離原來假設(shè)的板梁整體受力體系,使板梁間受力分配更不均勻,反過來進(jìn)一步加大了鉸縫的內(nèi)力,加速了鉸縫的進(jìn)一步破壞?！般q”的結(jié)構(gòu)理念允許圍繞該點(diǎn)進(jìn)行輕微轉(zhuǎn)動(dòng),只傳遞剪力,實(shí)際的“鉸”應(yīng)該是介于鋼結(jié)和鉸結(jié)之間的一種柔性連接機(jī)構(gòu)。文章建模時(shí)假定為鉸結(jié)的,這種假定下的鉸縫的聯(lián)系作用要優(yōu)于實(shí)際情況。有限元分析表明四季溫度場下鉸縫處拉應(yīng)力已超過極限強(qiáng)度,出現(xiàn)縱向裂縫,橫向溫差應(yīng)力是鉸縫破壞的主要原因。橫向拉應(yīng)變大于任一加載情況下的縱向拉應(yīng)變,是鉸縫(縱縫)首先產(chǎn)生的原因。