陳朝慰

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007)

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橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁的濕接縫受力性能研究

陳朝慰

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007)

橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁受拉區(qū)的濕接縫混凝土易于開裂，然而對(duì)此類結(jié)構(gòu)在實(shí)際的使用過程中觀測(cè)表明，濕接縫混凝土在荷載作用下并未開裂。通過橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁兩種類型的模型試驗(yàn)加載和對(duì)應(yīng)的有限元分析比較，表明當(dāng)外荷載作用時(shí)，橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁截面一定存在預(yù)應(yīng)力的重分布作用，即作用在預(yù)制結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力對(duì)濕接縫處的混凝土拉應(yīng)力有貢獻(xiàn)，此處混凝土受力有異于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)有的有限元通用程序尚無法計(jì)算此應(yīng)力重分布值的大小。

橋梁工程；受力性能；有限元；預(yù)應(yīng)力混凝土；濕接縫

引言

橫向連接的結(jié)構(gòu)在橋梁工程中已被廣泛應(yīng)用，如裝配式預(yù)應(yīng)力T梁，裝配式預(yù)應(yīng)力箱梁，以及舊橋加固中把T梁或π形梁改造為箱梁等。此類結(jié)構(gòu)的施工方式都是先預(yù)制預(yù)應(yīng)力的T梁或箱梁，再在各片T梁或箱梁間現(xiàn)澆混凝土連成整體，使結(jié)構(gòu)共同受力。如臥龍溝4號(hào)大橋和寧德特大橋都采用裝配式T梁結(jié)構(gòu)[1-3]，陶賴昭松花江特大橋的引橋[4]以及黑瞎子島烏蘇大橋的引橋[5]等采用裝配式預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是濕接縫的混凝土均處于受壓區(qū)。

由于混凝土抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低的特性，因此對(duì)于橫向連接的結(jié)構(gòu)，當(dāng)濕接縫的混凝土處于受壓區(qū)時(shí)，濕接縫不會(huì)破壞；如果濕接縫的混凝土處于受拉區(qū)，理論上，此時(shí)混凝土應(yīng)易于開裂。然而，對(duì)此類結(jié)構(gòu)在實(shí)際的使用過程中觀測(cè)表明，處于受拉區(qū)的濕接縫混凝土在荷載作用下，并未開裂。如某高速公路的箱梁橋(新舊箱梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，然后采用橫向連接方式，通過濕接縫把新舊箱梁橋連接成整體)運(yùn)行了七年多，在濕接縫處未發(fā)現(xiàn)裂縫[6-7]，廣佛高速公路的湖州大橋的主橋在濕接縫處未發(fā)現(xiàn)裂縫[8-9]。文獻(xiàn)[10]也發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力重分布現(xiàn)象。因此，對(duì)于橫向連接的預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)，分析為什么運(yùn)營階段受拉區(qū)的混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫以及如何計(jì)算濕接縫受拉區(qū)混凝土在外荷載作用下的應(yīng)力具有極其重要的工程意義。

本文主要分析的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁主要包括兩類，一類是橫向先預(yù)制工字梁，再通過現(xiàn)澆濕接縫把工字梁連接成箱梁[11-12]；另一類為常用的小箱梁結(jié)構(gòu)，在文中體現(xiàn)為新舊橋連接的箱梁結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)和有限元分析研究這兩種結(jié)構(gòu)受拉區(qū)濕接縫的受力情況。

1　箱梁底板濕接縫受力分析

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型梁跨度為12.38 m，寬度為2.72 m，先澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁，張拉預(yù)應(yīng)力，再澆筑濕接縫成整體箱梁，截面如圖1所示，陰影部分為現(xiàn)澆濕接縫。

圖1　橫截面圖(單位：cm)

1.2測(cè)點(diǎn)和試驗(yàn)加載

試驗(yàn)測(cè)試了在荷載作用下模型橋的跨中截面應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。底板七個(gè)點(diǎn)(編號(hào)從1至7)。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)對(duì)跨中截面進(jìn)行分級(jí)加載，同時(shí)加載過程觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)濕接縫混凝土測(cè)點(diǎn)荷載應(yīng)變曲線表明混凝土進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)停止加載，或預(yù)制工字梁的預(yù)壓力為0時(shí)停止加載。

1.3有限元分析

有限元模型建立參考文獻(xiàn)[10]，在模型中利用生死單元模擬結(jié)構(gòu)的施工過程，不考慮預(yù)應(yīng)力的傳遞作用，且把混凝土視為彈性不開裂材料，通過計(jì)算分析得到模型在荷載作用下的跨中截面的應(yīng)力分布如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見表1(表中A代表實(shí)測(cè)值，B代表計(jì)算分析值，P表示施加在模型上總荷載，其單位為kN，應(yīng)變單位為με)。

表1　跨中截面應(yīng)變值比較

圖3　跨中截面的應(yīng)力圖

由圖3和表1可知，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，把混凝土當(dāng)作彈性材料，在不開裂的情況下，濕接縫的應(yīng)變最大為213 με，超過混凝土的開裂應(yīng)變110 με，且相應(yīng)應(yīng)力為6.6 MPa，遠(yuǎn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。然而實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑽从^測(cè)到混凝土的開裂或裂縫，這表明在試驗(yàn)荷載作用時(shí)，箱梁截面上存在應(yīng)力重分布，即預(yù)制工字梁的預(yù)應(yīng)力對(duì)濕接縫受力存在著貢獻(xiàn)作用，此重分布應(yīng)力對(duì)濕接縫混凝土的受拉變形產(chǎn)生了抑制作用。

2　箱梁頂板濕接縫受力分析

2.1試驗(yàn)概況及結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試了各種荷載工況下跨中截面和支座截面以及L/4截面處的撓度和應(yīng)變，結(jié)果表明撓度值沿整個(gè)橋?qū)挿较?包括新舊箱梁)變化均勻，新舊箱梁在接縫處的撓度過渡平順，新舊結(jié)構(gòu)近似整體受力，說明新舊結(jié)構(gòu)的接縫模式合理可靠。模型梁在各種負(fù)彎矩加載工況作用下，內(nèi)支座L截面(圖4)處新舊混凝土的應(yīng)變變化連續(xù)、協(xié)調(diào)，在接縫處無明顯突變，說明混凝土受拉區(qū)新舊結(jié)構(gòu)的連接模式能夠有效地傳遞荷載[10]。

試驗(yàn)最后進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)的破壞工況，加載布置如圖4所示。當(dāng)荷載達(dá)到640 kN時(shí)，舊橋的肋頂部出現(xiàn)裂縫，同時(shí)內(nèi)支座L截面段接縫上緣也開始出現(xiàn)裂縫，裂縫由舊橋向新橋開展，當(dāng)達(dá)到800 kN時(shí)，內(nèi)支座段接縫出現(xiàn)裂縫貫通，分布如圖5所示。內(nèi)支座截面在此工況下各主要測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變見表2(表2中荷載表示所有加載的總和)，各應(yīng)變的測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。

表2　內(nèi)支座截面上各點(diǎn)的應(yīng)變比較表(荷載單位：kN)

圖4　試驗(yàn)加載布置圖(單位：cm)

圖5　內(nèi)支座L截面段接縫裂縫分布曲線

圖6　L截面上緣測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

2.2有限元分析

采用有限元結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS建立三維有限元模型，分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤奢d作用下的受力狀況[10]。

ANSYS建模時(shí)，采用solid45單元模擬混凝土[13]，link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋，初應(yīng)變法模擬預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用[14]，以及獨(dú)立建模耦合法實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋、鋼筋和混凝土的共同受力[15]，全橋有限元模型如圖7所示。

圖7　有限元模型

當(dāng)作用荷載分別為560 kN和640 kN時(shí)，內(nèi)支座截面上各點(diǎn)的應(yīng)變見表2，截面的應(yīng)力分布如圖8所示。

由圖8和表2可知，運(yùn)用有限元程序進(jìn)行計(jì)算分析，如果不考慮預(yù)應(yīng)力的重分布作用，當(dāng)荷載加到560 kN時(shí)，計(jì)算得到的混凝土拉應(yīng)力為5.4 MPa，相應(yīng)的濕接縫處混凝土應(yīng)變達(dá)到158 με，已超過混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa和相應(yīng)的應(yīng)變110 με。然而在實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜]有觀測(cè)到混凝土產(chǎn)生裂縫，這表明當(dāng)外荷載作用時(shí)，內(nèi)支座截面一定存在預(yù)應(yīng)力的重分布作用，即作用在新舊箱梁橋上的預(yù)應(yīng)力對(duì)濕接縫處的混凝土拉應(yīng)力有貢獻(xiàn)。

圖8　內(nèi)支座截面應(yīng)力圖

3　結(jié)論

(1)通過箱梁底板濕接縫受力的模型試驗(yàn)和有限元分析，表明外力作用時(shí)箱梁底板濕接縫受到預(yù)制工字梁的預(yù)應(yīng)力作用，受力有異于普通鋼筋混凝土，此重分布應(yīng)力對(duì)濕接縫混凝土的受拉產(chǎn)生了抑制作用。

(2)通過箱梁頂板濕接縫受力的模型試驗(yàn)和有限元分析，表明當(dāng)外荷載作用時(shí)，新舊橋梁內(nèi)支座截面一定存在預(yù)應(yīng)力的重分布作用，即作用在新舊箱梁橋上的預(yù)應(yīng)力對(duì)濕接縫處的混凝土拉應(yīng)力有貢獻(xiàn)。

(3)兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果比較分析均表明，現(xiàn)有的有限元通用程序尚無法計(jì)算橫向分段施工箱梁受拉區(qū)濕接縫處應(yīng)力重分布值的大小。

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Study on the Mechanical Performance of the Wet-joint of the Prestressed Concrete Box Girder with Transversely Segmental Construction

CHEN Chaowei

(Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

In theory, the wet-joint of concrete of the prestressed concrete box girder with transversely segmental construction in the tension zone, the concrete should be easy to crack. However, it showed that the concrete did not crack under the action of the load. By transverse segmental construction of prestressed concrete box girder with two types of model experiments and corresponding FE analysis the results showed that when the external load, there existed stress redistribution in the cross section of presented construction, which could restrain the tensional distortion of the wet-joint, and the acted on the prefabricated structure of the wet-joint was different from ordinary reinforced concrete structures, and the value of the stress redistribution could not be computed by the current FE program.

bridge engineering; mechanical performance; FE; PC; wet-joint

2016-02-24

福建省教育廳A類科技項(xiàng)目(JK14374)

陳朝慰(1977-)，男，福建仙游人，高級(jí)工程師，博士，主要從事橋梁安全評(píng)估、現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究，(E-mail)chenchaowei@126.com

1673-1549(2016)02-0061-04

10.11863/j.suse.2016.02.12

U441.3

A