剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋箱梁底板空間受力效應(yīng)及破壞分析

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1、剛構(gòu)■連續(xù)組合梁橋箱梁底板空間受力效應(yīng)及破壞分析摘要：筆者以一座近期發(fā)生底板崩裂事故的大跨剛構(gòu)?連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用平面有限元軟件與空間有限元軟件相結(jié)合的方法，進(jìn)行合龍段附近空間應(yīng)力分析以探明其破壞成因。空間模型中模擬了三向預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力孔道，能夠很好的考慮孔道對截面削弱的影響。通過精細(xì)化分析最終得到了合龍段的空間受力特性，從而明確了底板縱向開裂及空鼓破壞的受力成因，該分析方法和結(jié)論可以為類似事故工程作為借鑒。關(guān)鍵詞：剛構(gòu)■連續(xù)梁橋；合龍段；底板；崩裂破壞；空間效應(yīng)中圖分類號(hào)：U44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、：A文章編號(hào)：0引言近年來，國內(nèi)多座連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋發(fā)生了底板縱向開裂甚至局部空鼓、崩裂事故。本文以一座近期發(fā)生底板崩裂事故的大跨PC剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋跨徑布置?16+200+220+200+116米，上部結(jié)構(gòu)采用變截面單箱單室箱梁。主梁采用55號(hào)混凝土。箱梁底板線形1.6次拋物線，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車■超20級(jí)，掛車「20。該橋于2005年通車，在2011年橋梁檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)該橋多個(gè)孔的跨中合龍段附近2?3個(gè)節(jié)段內(nèi)箱梁底板存在縱向裂縫，其中一孔合龍段相鄰右側(cè)梁段底板混凝土有明顯的脹

3、裂空鼓，底板下層混凝土由波紋管處與頂層鋼筋混凝土完全分離。1平面有限元整體計(jì)算首先對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性。采用交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所研發(fā)的公路橋梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)GQJSV9.7建立了全橋平面桿系模型。模擬了實(shí)際的施工階段，考慮了結(jié)構(gòu)自重、縱向預(yù)應(yīng)力、收縮、徐變、溫度、活載，基礎(chǔ)沉降等荷載組合作用。原橋按照85規(guī)范⑴設(shè)計(jì)，首先按照85規(guī)范對該橋進(jìn)行施工階段、正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)三方面設(shè)計(jì)驗(yàn)算。施工過程中主梁出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為23.75MPa,出現(xiàn)在跨中主跨合龍束張拉的這一

4、工況，發(fā)生在主跨跨中合龍段箱梁下緣，壓應(yīng)力數(shù)值較大，但并未超出85規(guī)范的限制。其余狀態(tài)驗(yàn)算均滿足要求。之后按照現(xiàn)行04規(guī)范［2］進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果為，次主跨L/2截面、中跨L/2截面的正截面抗彎承載力與荷載效應(yīng)最不利組合值比較接近，安全度不大，但尚能滿足04規(guī)范要求。正常使用極限狀態(tài)正應(yīng)力驗(yàn)算表明，兩個(gè)次主跨及主跨箱梁上緣最大壓應(yīng)力20.65MPa,遠(yuǎn)超過04規(guī)范限值17.75MPa,下緣最大應(yīng)力也超過了04規(guī)范容許值。預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)力1242MPa,超過了04規(guī)范要求的1209M

5、Pa,應(yīng)力超標(biāo)鋼筋基本發(fā)生在頂板束及底板合龍束。2跨中合龍段空間應(yīng)力分析2.1模型的選取及建立根據(jù)圣維南原理[3],桿端力作用的影響區(qū)域只體現(xiàn)在距桿端1倍桿的橫向尺寸的范圍內(nèi)，所以只要根據(jù)圣維南原理建立合適的空間模型，就能達(dá)到較為準(zhǔn)確模擬破壞底板空間應(yīng)力情況，以達(dá)到分析破壞成因的目的。根據(jù)檢測情況，箱梁底板空鼓病害較嚴(yán)重的梁段發(fā)生在10#孔合龍段附近，故此次局部模型選取10#孔合龍段及其左右各四個(gè)節(jié)段，共計(jì)38米長的梁段進(jìn)行分析。按照結(jié)構(gòu)真實(shí)尺寸和材料參數(shù)建立空間模型，由于要模擬預(yù)應(yīng)力束張拉后、灌

6、漿前的合攏段的應(yīng)力狀態(tài)，在建立模型時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管道的模擬。采用SOLID45用來模擬混凝土單元，采用LINK8來模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋單元。整個(gè)混凝土實(shí)體采用掃略、映射相結(jié)合的劃分方法，全部劃分為六面體單元，共劃分為47424個(gè)實(shí)體單元。底板開孔處的預(yù)應(yīng)力筋單元LINK8采用與混凝土單元SOLID45共節(jié)點(diǎn)方法，頂板及腹板預(yù)應(yīng)力筋通過節(jié)點(diǎn)耦合與混凝土節(jié)點(diǎn)建立約束方程，共建立3160個(gè)預(yù)應(yīng)力筋單元。整體幾何空間模型如圖1所示，箱梁底板預(yù)應(yīng)力管道開孔如圖2所示。圖1整體幾何空間模型圖2預(yù)應(yīng)力孔道模擬2.2空間

7、應(yīng)力情況圖3?6列出了預(yù)應(yīng)力張拉完成后、灌漿前這個(gè)工況下跨中斷面的空間應(yīng)力云圖情況。圖中可看出，跨中斷面豎向應(yīng)力的變化范圍大致為-2.0MPa（拉應(yīng)力）?2.5MPa（壓應(yīng)力），受拉區(qū)主要位于腹板中下部的內(nèi)緣，預(yù)應(yīng)力孔道也有部分受拉區(qū)，但區(qū)域和值較??；橫向應(yīng)力的變化范圍大致為-4.0MPa（拉應(yīng)力）?5.0MPa（壓應(yīng)力），底板中部孔道下緣、倒角位置為受拉區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域橫向拉應(yīng)力超出了容許拉應(yīng)力值，其中前者區(qū)域較大但峰值較小，而后者區(qū)域較小但峰值較大；主拉應(yīng)力分布與橫向應(yīng)力分布相似，說明了底板受拉

8、主要以橫向應(yīng)力為主，橫向應(yīng)力對主應(yīng)力的貢獻(xiàn)較大。圖3跨中斷面縱向應(yīng)力云圖圖4跨中斷面豎向應(yīng)力云圖圖5跨中斷面橫向應(yīng)力云圖圖6跨中斷面主拉應(yīng)力云圖2.3結(jié)果分析根據(jù)局部應(yīng)力分析結(jié)果，張拉底板預(yù)應(yīng)力時(shí)，底板孔道下緣橫向拉應(yīng)力偏大，是造成合龍段底板下緣縱向裂縫及底板沿波紋管崩裂破壞的主要原因，那么到底是什么造成底板橫向拉應(yīng)力偏大呢？從圖7可以看出，橫向拉應(yīng)力主要由預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)產(chǎn)生的徑向力所致，由徑向力的計(jì)算公式，得岀徑向力大小是由張拉力、管道線形來決定的。圖7底板徑向力及產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力