溫度應力對鋼筋混凝土空心板梁橋裂縫病害的影響分析

溫度應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鍵部位,其結構的抗震性、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為例,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進行受力分析,找出受力薄弱部位,并就橋鉸縫處的應力和應變進行分析和計算。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行數(shù)值計算,找出其復雜的受力狀態(tài)及破壞機理。該裝配式空心板梁橋由13個空心板進行拼裝焊接而成,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。鋼筋混凝土結構的ANSYS有限元模型有分離式、組合式、整體式3種?？招陌搴豌q縫分別選用SOLID65單元和SOLID45單元?？招陌逵捎阡摻畈贾脧碗s不規(guī)則進行整體建模,空心板與鉸縫相接觸的節(jié)點,采用耦合的方法對其x、y、z自由度進行約束,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。由于混凝土的導熱系數(shù)較小,導致每層混凝土所得到的或擴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部的應力應變分布。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、應力云圖。將四個季節(jié)溫度下的結果進行比較,其數(shù)據(jù)如表2。分析結果可知:不論施加何種溫度場,板梁橋鉸縫的應力和應變都比只考慮重力時的應力和應變大,而且溫度場的梯度越大,差值會越大。四季溫度場下鉸縫的最大拉應力值均高于C30混凝土的抗拉強度,鉸縫處早已出現(xiàn)裂縫。夏季時板橋鉸縫的位移較春季和秋季大,其最大拉應力分別比春季,秋季大69%、102%,故拉應力是導致鉸縫破壞的主要因素?；炷翆彷^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)生拉應力過大進而形成裂縫。冬季溫度處于零下,其拉應力小于其它季節(jié),但壓應力高達4.137MPa,與拉應力形成反復荷載,加速了鉸縫的破壞。1.2行駛工況下有限元分析結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分別為工況一時鉸縫處的豎向位移和拉應力圖。工況一:2輛車偏載在橋兩側時,車輪著力點全不在鉸縫處;工況二:2輛車偏載在橋兩側時,車輪著力點全在鉸縫處;工況三:4輛車共同行駛在橋中,車輪著力點全不在鉸縫處;工況四:4輛車共同行駛在橋中,車輪著力點全在鉸縫處。表3為上述4種不同的車輛行駛工況時有限元分析的結果。在任何加載情況下,縱向拉應變均小于同一位置的橫向拉應變,致使結構首先產(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,此時縱向應變增大,由于縱縫的產(chǎn)生,使得橫向極限應變解脫,而縱向應變上升為極限應變,最后導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、應力、應變越大;在相同的車輛荷載作用下,當車輪力直接作用在鉸縫處時,其位移、應力、應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,車輪直接作用于鉸縫處比沒有直接作用的最大拉應力大40.5%,縱向最大拉應變大25.4%,最大剪應力大371.4%,但是橫向最大拉應變卻相差不多。根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范板類構件的抗剪承載力為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,故剪應力應是導致鉸縫破壞的主要因素。上述有限元模型計算的前提是空心板與鉸縫鉸結,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具有較強的抗拉抗剪能力外,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,變形獨立,那么空心板與鉸縫的最大豎向位移差則應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168.097mm。因而應從抗剪性和抵抗變形性兩個方面綜合選擇鉸縫的填充材料。2混凝土結構設計橋梁鉸縫不僅影響橋梁的受力性能,同時也會影響鋼筋的銹蝕,影響其物理力學性能,從而影響橋梁的工作性能。為保證橋梁的質量,延長其使用壽命,從設計到材料的選用、施工、運營及養(yǎng)護管理等方面均應采取必要措施預防鉸縫損壞的發(fā)生。綜合分析采取以下主要措施,效果比較明顯:1)在進行橋梁設計計算時,須考慮到超載等各種現(xiàn)實情況,使橋梁設計與計算始終處于安全狀態(tài)。要考慮到當混凝土凝結降溫時會產(chǎn)生裂縫,設置后澆帶,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。適當加大鉸縫的結構設計尺寸,以插入式振搗器能正常工作為宜,使鉸縫內混凝土能夠得到充分振搗。同時行車道板內的鋼筋應伸入鉸縫內。另可適當增加鉸縫鋼筋,以加強行車道板的橫向聯(lián)結。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(纖維增強水泥基復合材料),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,抗拉應變能達到2%以上,另外它不含粗骨料,質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,使其整體受力?？梢圆捎冒屙斃?焊接梁體頂面預埋伸出的抗剪鋼筋與鋪裝層內加鋪鋼筋網(wǎng)的措施。3鋼結與鉸縫破壞機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算結果的必要前提。鉸縫承擔著板梁間傳遞內力并約束位移的關鍵作用。也就是說,一旦鉸縫的聯(lián)系作用被削弱,將使實際受力情況脫離原來假設的板梁整體受力體系,使板梁間受力分配更不均勻,反過來進一步加大了鉸縫的內力,加速了鉸縫的進一步破壞?！般q”的結構理念允許圍繞該點進行輕微轉動,只傳遞剪力,實際的“鉸”應該是介于鋼結和鉸結之間的一種柔性連接機構。文章建模時假定為鉸結的,這種假定下的鉸縫的聯(lián)系作用要優(yōu)于實際情況。有限元分析表明四季溫度場下鉸縫處拉應力已超過極限強度,出現(xiàn)縱向裂縫,橫向溫差應力是鉸縫破壞的主要原因。橫向拉應變大于任一加載情況下的縱向拉應變,是鉸縫(縱縫)首先產(chǎn)生的原因。