戴利平

(宇航交通建设集团有限公司,浙江 杭州 311100)

1 多因素下箱梁桥的开裂机理

1.1 有限元模型

以三跨预应力连续梁作为分析对象,建立与相应的有限元分析模型,模型主要参数如下。

(1)结构尺寸。箱梁采用单箱单室连续式设计,纵向各截面设定为相等,跨径布置设计为30 m+30 m+30 m。湿接缝尺寸定为0.5 m。

(2)材料特性。箱梁的主体结构及湿接缝均定义为C50混凝土,其容重、弹模及泊松比分别定义为25 kN/m3、3.45×104MPa及0.2。为了模拟支座状态,将垫片定义为刚度较小且变形有限的钢垫片,定义其容重、弹模及泊松比分别定义为7 800 kN/m3、1×103GPa及0.3。

(3)边界条件。为了简化结构、减少算量,本研究对箱梁桥的墩柱支承做出简化处理,假定支座垫块底部、地面直接采用刚接进行连接,而支座垫块上部泽宇桥体形成支座约束。

考虑到分析算量及计算精度的要求,将有限元模型划分为114 968个六面体单元,其中构成应力筋的桁架单位共1 500个。

(4)工况条件。按照正交性试验原理,共可得到25中不同的工况条件,如表1、表2所示。同时,为了方便比对分析,另外增设一类基准工况,也即假定无预应力损失、标准温度条件、规范等效荷载取值下的工况条件,以此来模拟分析桥梁的理想状态。

表1 各因素水平设计表

表2 正交试验法所确定的工况设计

2 Abaqus计算结果分析

2.1 关键截面的应力计算结果

在假定的基准工况条件下,也即:施加3 500 Pa均布荷载作用、张拉1 395 MPa预应力、25 ℃环境温度下,分析得到箱梁结构整体的计算云图。

可以发现,在基准工况下箱梁结构中的最大第一主拉应力出现在支座顶点所对应的顶板上表面处。若将荷载成比例扩大,那么在该位置将最先达到极限状态,产生横向开裂。这一位置的跨中底板下表面较顶板上表面而言,第一主拉应力更小,这一现象与结构内预应力筋的布置情况存在紧密联系。

为了深入探究25种不同工况下结构的第一主拉应力水平,本研究还沿桥纵向中线分析不同控制截面的第一主应力,其中主要参考点有边跨支座、边跨1/4跨、边跨跨中、中跨支座、中跨1/4跨以及中跨跨中,并以点1～点6分别对其命名。

从上述六点提取得到的应力数据如表3所示。

表3 各工况下计算得到的应力结果

按照表1中数据可以发现,对于支座顶点位置的第一主应力而言,其在工况4、18及22下数值比较大,从表1、表2可以发现这三个工况条件所对应的温度荷载水平均为1,也即在最大的温度降幅下,这也表明支座顶点附近位置的主应力对于温度变化表现出较为敏感的反应。对于温度变化较大的工况来说,支座顶点位置最有可能首先出现开裂。对于边跨及中跨跨中处的第一主应力而言,其在工况6、11及16下数值比较大,从表1、表2可以发现这三个工况条件所对应的预应力荷载水平均为1,也即在最大的预应力损失下,这也表明跨中位置的主应力对于预应力损失表现出较为敏感的反应。对于预应力损失较大的工况来说,跨中位置最有可能首先出现开裂。

2.2 关键截面的开裂特性

根据上述对关键截面应力水平的分析可以发现,在不同工况条件下各个关键截面的第一主应力不尽相同。对于各关键截面而言,出现最大第一主应力时所选用的工况也即该截面的最易开裂工况。根据上述分析结果可以看出,对于跨中及四分之一截面而言,其最易开裂工况为工况21;对于支座截面而言,其最易开裂工况为工况22。所以,下面主要针对工况21、工况22以及基准工况展开分析,此三个工况2所取用的因素值如表4所示。

表4 各因素水平的取值

对工况21及工况22进行分解即可得到各因素单独发生变化时对应的工况,如表5、表6所示。

表5 工况21下各因素单独变化的工况设计

表6 工况22下各因素单独变化的工况设计

通过有限元分析即可得出在上述三个工况条件下各关键截面的第一主应力,并将工况21及工况22下测得的结果与基准工况进行比对,如表7所示。

表7 分析对象在不同工况下的计算应力 (单位:MPa)

(2)工况21下关键截面的开裂特性

根据模拟分析可以发下,工况21条件下在各跨1/4及1/2跨处截面的应力水平较高,所以取这两个截面展开分析,测得工况21下当各因素独立发生变化时的第一主应力,如表8所示。

表8 工况21下各因素独立变化时的第一主应力 (单位:MPa)

各因素独立变化时相较于基准工况所发生的应力增量如表9所示。

表9 各因素独立变化时相较于基准工况的应力增量

通过表9可以发现,在工况21下当各因素发生独立变化时的应力增量总和与工况21条件下相较于基准工况的应力增量相等,这也印证了工况设计的合理、准确。对上述数据进行分析即可得到当各因素发生独立变化时,各项应力增量占总增量的比例。

可以发现,在各项因素发生独立变化时的应力增量占比中,支座温度变化的影响最为显著,因此温度变化在支座位置最易引发开裂;而预应力损失在跨中、1/4跨位置的截面应力的增量中则占据主导,也就是说预应力损失最易引发这两处截面开裂。

(2)工况22下关键截面的开裂特性

根据模拟分析可以发下,工况22条件下在各跨支座处截面的应力水平较高,所以取支座截面展开分析,测得工况22下当各因素独立发生变化时的第一主应力,如表10所示。

表10 工况22下各因素独立变化时的第一主应力 (单位:MPa)

各因素独立变化时相较于基准工况所发生的应力增量如11所示。

通过表11可以发现,在工况22下当各因素发生独立变化时的应力增量总和与工况22条件下相较于基准工况的应力增量相等,这也印证了工况设计的合理、准确。对上述数据进行分析即可得到当各因素发生独立变化时,各项应力增量占总增量的比例。

表11 各因素独立变化时相较于基准工况的应力增量

可以发现,在各项因素发生独立变化时的应力增量占比情况与工况21较为类似,支座温度变化的影响最为显著,因此温度变化在支座位置最易引发开裂;而预应力损失在跨中、四分之一跨位置的截面应力的增量中则占据主导,也就是说预应力损失最易引发这两处截面开裂。同时,将工况21及工况22下分析得到的应力增幅进行比对,可以发现前者为升温工况,后者为降温工况,其后者引起的应力变化更为突出,也即降温更容易引起梁体的开裂。

3 预应力箱梁开裂的控制措施

3.1 底板开裂

(1)增厚底板。在设计截面形状时,应当确保底板厚度可以满足预应力筋布设、张拉的需求,其应通过增后底板的方式来提升其刚度,防止过早开裂的发生。

(2)布设横向预应力筋。对于横向宽度较大的箱梁,在实际运营中可能会出现类似于纵向弯曲的效应,进而使得底板的横向拉应力水平较高,在这样的情况下布设预应力筋能够显著改善其抗拉性能,防止纵向裂缝的产生。

(3)设置横隔板。在原有箱梁中设置横隔板能够显著提升梁体的刚度,其能够帮助承担横向拉应力,避免开裂的发生。

3.2 腹板局部开裂

(1)增厚腹板。腹板的厚度应当与布设预应力筋相适应,且更厚的腹板也有助于抵抗剪切作用。

(2)布设竖向预应力筋。竖向预应力筋有助于强化腹板的强度及抗剪刚度。

(3)设置斜支撑。在腹板上端、翼板的连接位置设置斜支撑,能够有效防止局部集中应力的产生。

4 结 语

以Abaqus有限元分析软件为基础,建立了三跨预应力连续梁模型,分别设定三个代表工况进行分析,以此评价箱梁关键截面的开裂机理,并以此为基础从底板开裂及腹板局部开裂两个方面提出了增厚板件、布设预应力筋等控制措施。