底板纵向裂缝宽度对PC 等截面箱梁刚度影响分析

2014-11-26江亚雄JIANGYaxiong蔡丁锡CAIDingxi邬晓光WUXiaoguang

价值工程 2014年9期

江亚雄JIANG Ya-xiong；蔡丁锡CAI Ding-xi；邬晓光WU Xiao-guang

（①长安大学公路学院，西安 710064；②福州沈海高速公路有限责任公司，福州 350000）

（①School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；②Fuzhou Shenhai Expressway Co.，Ltd.，Fuzhou 350000，China）

0 引言

近二十年来，我国基础建设发展迅猛，公路桥梁的建设得到了较好的发展机遇。国家每年都有许多桥梁建成，但是人们已发现有很多PC 等截面箱梁的顶板、底板、腹板和横隔板等部位都出现了不同程度的裂缝，裂缝的存在就会使得结构的有效截面的面积出现减小、刚度降低、角度增大等问题，出现这些问题，就会使得桥梁的使用寿命缩短，严重影响桥梁结构的安全，因此需要避免桥梁中出现裂缝。目前，PC 等截面箱梁底板纵向开裂后的挠度、应变的变化相对刚度影响的研究较少，无法定量地对开裂后PC 等截面箱梁桥的安全性作出评价，这也使得管养部门在对开裂后的预应力桥梁定性、加固时还缺乏相应的依据。所以有必要对开裂的等截面箱梁桥进行刚度影响分析。

本文针对一座存在底板纵向裂缝的PC 等截面箱梁进行有限元分析，研究底板纵向裂缝宽度的变化对梁体刚度的影响。

1 工程实例

1.1 计算模型某桥为3 孔30m 的PC 等截面箱梁桥，箱梁采用C50 混凝土，预应力钢束材料为：钢筋直径为15.20mm，设计强度=1850MPa，弹性模量Ey=1.95×105MPa，其力学性能符合《预应力钢绞线力学性能》GB/T5224-1995 的规定。

1.2 有限元模型采用有限元软件ANSYS 进行模拟分析，混凝土采用Solid65 单元模拟，预应力钢筋采用Link8 单元模拟，通过单元降温的方式施加预应力[1]。梁体裂缝采用“生死”单元方式处理，即将开裂处垂直混凝土裂缝方向的混凝土单元的刚度矩阵乘以1.0E-6 因子。

分析时应考虑结构的自重、二期恒载、预应力和汽车荷载的共同影响。其中，汽车荷载按照双车道布载，根据JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》[2]，采用公路－I 级车道荷载，集中荷载采用360kN，均布荷载采用10.5kN/m，按最不利位置布载。为了避免应力集中，将集中力及均布荷载等效成面荷载再进行加载。

1.3 裂缝特征参数的确定对于PC 等截面箱梁桥，在使用的阶段，为了防止梁体截面等局部范围因为各种因素而导致出现的开裂。就需要对开裂的箱梁应力及挠度的影响程度进行裂缝分析，以跨中底板局部范围纵向开裂为例，以裂缝宽度为参数进行模拟分析，裂缝特征参数分别取0mm、0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm。

2 结果分析

为了分析底板纵向裂缝开展宽度对梁体刚度产生的影响，我们可以进行模拟对比分析，分别取裂缝宽0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm 与未开裂梁体情况进行比较，梁体截面挠度、底板拉应力及腹板主拉应力随裂缝宽度变化数值如表1～3。

表1 中跨截面挠度随裂缝宽度变化规律（单位：mm）

表2 中跨截面底板拉应力随裂缝宽度变化规律（单位：Mpa）

表3 中跨截面腹板主拉应力随裂缝宽度变化规律（单位：Mpa）

由表1～3 可知，在设计荷载最不利布载下，当梁体没有开裂时，跨中截面最大挠度及应力分别为27.8mm、1.69MPa。当截面底板开裂宽度从0.05mm 增大到0.20mm过程中，跨中挠度增量最大，从31.0mm 变化到40.0mm，挠度增大9mm，增长率29.03%。当梁体从未开裂过渡到产生0.10mm 裂缝时，跨中截面底板拉应力增长幅度为39.05%，最大拉应力为2.35MPa。当裂缝开裂宽度从0.10mm 增大到0.20mm 过程中，中跨跨径3/8 截面处梁体底板拉应力增量最大，从1.19MPa 变化到1.42MPa，应力增长0.23MPa，增长率19.33%，说明开裂引起了截面应力重新分布，应力由损伤截面向两侧进行转移。随着裂缝开展宽度的增加，中跨跨径1/4 截面处腹板主拉应力增长幅度最大，从1.22MPa 变化到1.32MPa，应力增大0.10MPa，应力增长率8.2%。可见，裂缝宽度变化对梁体截面中性轴附近处腹板主拉应力影响程度较小。