裝配式空心板梁橋鉸縫開裂分析

裝配式空心板梁橋鉸縫開裂分析

0空心板對梁橋橫向連接的影響安裝式空心板梁橋是我國道路和城市道路上的主要橋梁，發(fā)生在小直徑上。相關(guān)課題在對全國13個(gè)省市的1200座混凝土橋梁進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),裝配式空心板梁橋的結(jié)構(gòu)性病害主要是鉸縫開裂和板底縱向裂縫。裝配式空心板梁橋一般由多片空心板,通過鉸縫及橋面鋪裝連接成整體。當(dāng)某一片空心板受到荷載作用時(shí),其余各片板梁將借助鉸縫和橋面鋪裝的傳力作用而分擔(dān)部分荷載,以此實(shí)現(xiàn)荷載的橫向分布。鉸縫、橋面鋪裝的橫向連接作用越好,橋梁的橫向整體性越強(qiáng),則荷載在各片空心板上的分布越均勻。若裝配式混凝土空心板梁橋橫向連接構(gòu)造設(shè)計(jì)不當(dāng),少則2～3a,多則4～5a,鉸縫就會(huì)出現(xiàn)開裂、滲水、破損等現(xiàn)象。鉸縫開裂往往會(huì)導(dǎo)致橋面鋪裝頂面出現(xiàn)縱向裂縫,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)展為局部網(wǎng)裂,形成橋面鋪裝層局部的縱向溝槽(圖1),在重載交通下易出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象,危及橋梁的安全性、適用性和耐久性。杭州錢塘江三橋南引橋鉸縫開裂、脫落,造成板梁間不能有效傳力,導(dǎo)致板梁單板受力過大,最終引發(fā)坍塌事故(圖2)。這一事故引起了研究者對裝配式梁橋單板受力現(xiàn)象的警覺。但遺憾的是,對于裝配式空心板橋的單板受力問題,工程界一直沒有建立定量化的評判準(zhǔn)則,用于橋梁技術(shù)狀況的檢查評定。本文利用空間有限元計(jì)算軟件ABAQUS,在分析鉸縫開裂對裝配式空心板梁橋跨中荷載橫向分布影響的基礎(chǔ)上,給出了荷載橫向分布系數(shù)隨鉸縫開裂長度變化的規(guī)律,明確了出現(xiàn)單板受力的鉸縫開裂臨界長度及其判定方法,為裝配式空心板梁橋鉸縫開裂導(dǎo)致單板受力問題的評判提供了技術(shù)依據(jù)。1荷載橫向分布系數(shù)本文選用《裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板標(biāo)準(zhǔn)圖》(JT/GQB001—1973)中8塊寬1m的空心板組成的10m跨徑裝配式空心板橋?yàn)樵?見圖3、圖4。分中板(4#板)兩側(cè)鉸縫(3#、4#鉸縫)從跨中向兩側(cè)同步對稱開裂、中板一側(cè)鉸縫(3#鉸縫)從跨中向兩側(cè)開裂、次邊板(2#板)兩側(cè)鉸縫(1#、2#鉸縫)從跨中向兩側(cè)對稱開裂、次邊板一側(cè)鉸縫(1#鉸縫)從跨中向兩側(cè)開裂4種工況,采用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算方法,分析了不同鉸縫開裂長度對板梁跨中荷載橫向分布的影響。ABAQUS有限元模型中混凝土采用Hongnestad本構(gòu)曲線,鋼筋為理想彈塑性狀態(tài),鉸縫混凝土與板梁采用tie接觸,假定當(dāng)鉸縫混凝土的最大主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),鉸縫混凝土開裂。有限元基本模型及單元?jiǎng)澐址绞椒謩e見圖5、圖6。借助空間有限元方法來計(jì)算荷載橫向分布系數(shù),具體過程如下:(1)首先提取各板梁跨中截面下緣在豎向荷載作用下的撓度沿橫向分布情況;(2)在每塊板梁區(qū)間內(nèi)對豎向變形進(jìn)行積分,得到單塊板梁豎向變形積分面積,然后除以板寬,得到單塊板的平均豎向變形值fi,如圖7所示。在單點(diǎn)集中荷載(P=10kN)作用于中板或次邊板跨中,中板或次邊板兩側(cè)鉸縫從跨中向兩側(cè)對稱開裂或一側(cè)鉸縫從跨中向兩側(cè)開裂到不同長度時(shí),空心板梁橋跨中截面荷載橫向分布系數(shù)的空間有限元分析計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,加載板兩側(cè)鉸縫從跨中向兩側(cè)同步對稱開裂時(shí),在鉸縫開裂初期,開裂長度對跨中荷載橫向分布的影響并不敏感,但當(dāng)鉸縫開裂到一定長度之后,開裂長度對跨中荷載橫向分布的影響非常顯著。次邊板、中板兩側(cè)鉸縫從跨中向兩端同步對稱開裂超過某一長度后,荷載作用板的橫向分布系數(shù)將急驟增加,會(huì)出現(xiàn)明顯的單板受力特征,對于板梁單側(cè)鉸縫開裂的工況,開裂長度超過某一值后,荷載作用板的橫向分布系數(shù)雖然有明顯的增大,但沒有呈現(xiàn)出單板受力的特征。根據(jù)最小二乘法,采用指數(shù)函數(shù)(y=Aext+y0)(y=Aext+y0)形式對加載板的荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行回歸分析,得到不同荷載工況下的擬合曲線函數(shù)及擬合情況,如圖9所示。2空心板梁臨界裂縫長度由于橫向分布系數(shù)隨裂縫長度發(fā)展曲線呈指數(shù)式增長,考慮采用切線法或者等效面積法對橫向分布系數(shù)發(fā)展曲線進(jìn)行兩折線化,兩折線的交點(diǎn)對應(yīng)的裂縫長度即認(rèn)為單板受力臨界判別指標(biāo)。等效面積法常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震計(jì)算中的骨架曲線的兩折線化,基于能量等效的思路,可以認(rèn)為由此得到的臨界鉸縫開裂長度對應(yīng)著鉸縫開裂發(fā)展過程中能量釋放的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。等效面積法的計(jì)算思路是按照兩折線和橫軸圍攏的面積與曲線和橫軸圍攏的面積相等而得,這種方法常用于結(jié)構(gòu)抗力曲線的二折線化。等效面積法需要滿足2個(gè)條件:一是第1段直線與曲線起點(diǎn)相切,二是兩者圍攏面積相等。圖10分別給出采用切線法或者等效面積法計(jì)算4種荷載工況下的空心板梁單板受力臨界裂縫長度。將4種荷載工況下計(jì)算得到的單板受力臨界裂縫長度列于表1、表2中。從表1、表2中可以看出,采用切線法計(jì)算得到臨界裂縫長度偏大,臨界裂縫長度對應(yīng)的撓度比和橫向分布系數(shù)之比在空心板梁兩側(cè)開裂情況下均接近0.5。采用切線法計(jì)算臨界裂縫長度對曲線特征把握不夠全面,而僅根據(jù)曲線兩端切線相交得到臨界裂縫長度;采用等效面積法計(jì)算臨界裂縫長度對把握曲線的形狀相對更好一些,從圖10可以看出,采用等效面積法計(jì)算得到的臨界裂縫長度更易被接受。3臨界裂縫長度(1)無論單側(cè)鉸縫開裂還是雙側(cè)鉸縫開裂,加載板的橫向分布系數(shù)均隨裂縫長度呈指數(shù)式增長。(2)雙側(cè)鉸縫開裂較單側(cè)鉸縫開裂,加載板的橫向分布系數(shù)發(fā)展速度更快,單側(cè)鉸縫完全開裂時(shí),加載板的橫向分布系數(shù)約為雙側(cè)全部開裂時(shí)的0.33左右。(3)采用切線法計(jì)算單板受力臨界裂縫長度時(shí),對于雙側(cè)鉸縫開裂情況,臨界鉸縫開裂長度約為0.82L;而采用等效面積法計(jì)算的單板受力臨界裂縫長度,對于雙側(cè)鉸縫開裂情況,臨界鉸縫開裂長度約為0.67L。鑒于等效面積法