径向力分析2

变截面箱梁桥跨中底板径向力效应分析霍省伟袁好国(郑州市交通规划勘察设计研究院郑州450000)摘要：结合国内数座桥梁底板下崩事故，探讨了预应力径向力作用下变截面箱梁桥底板开裂和下崩机理。然后，研究了径向力效应空间有限元分析合理建模方法，并通过实例验证了方法的可靠性。关键词：变截面箱梁，径向力作用，有限元分析1.引言近年来，预应力混凝土变截面连续梁桥在张拉跨中底板合龙束时，不时出现底板产生纵向裂缝现象，严重时甚至发生整个底板崩裂的事故。在全国范围内，这类事故已发生了多起[1][2]，因此，有必要对该类病害产生的机理展开研究。2.病害特征综述针对该类病害，大家形成了一些认识：变截面箱梁桥底板合龙束张拉时产生的径向力是出现该类事故的最主要原因；由施工误差而致的预应力管道线形突变使径向力大小发生更大的变化；另外，合龙束在底板产生的纵向压力由于泊松效应也使底板处于更不利的受力状况。以下为该类事故常见的几种破坏形式[3][4]。图1底板纵向裂纹分布图图2底板混凝土局部剥落图3底板分层破坏如图1所示，箱梁底板在径向力作用下发生横向挠曲。其结果是，底板横向跨中受正弯矩、两端由于腹板弹性嵌固而承受负弯矩作用。箱宽愈大、底板钢束离腹板距离愈远,这种效应愈显著。截面拉应力超出混凝土抗裂能力,则导致纵向开裂。图2为第二种常见破坏形式。具体表现为波纹管在径向力作用下整体下移，横向普通钢筋下弯变形，混凝土脱落。原因主要是底板波纹管下方混凝土由于厚度不够，抗剪能力不足，在底板产生较大横向拉应力情况下，该区域混凝土易发生局部的剪切破坏。底板上、下层之间分离拉裂（图3），是该类事故的第三种破坏形式，也是最严重的一种破坏形式。底板曲线预应力筋沿程的径向等效荷载，使底板下压；合龙束锚固点的水平作用力，使底板上拱。如果跨中底板合龙钢束张拉力很大，这两部分等效荷载对底板产生复杂的空间效应，使跨中区段箱梁底板出现较大的竖向拉应力，这个拉应力最终导致分层拉裂破坏。出现该破坏的原因还有不合理的管道布置和底板厚度不足。变截面箱梁桥建设在我国已有相当长的历史，但中中小跨径型桥梁中大量出现该问题不过十多年。问题的出现不是偶然的。首先，为了克服主梁在运营期间跨中挠度越来越大,近年来在设计中都增加了中跨底板预应力束数量；其次，随着交通量的增加，箱梁宽度也越来越大，底板宽度也相应变大；最后，问题的出现与设计上考虑不周是严密相关的，尽管施工上也有原因，但施工误差比如预应力管道偏移，合龙高差等早伴随预应力梁桥的建设而存在。3.有限元分析3.1计算模型为反映中跨合龙束对全桥的作用效应，模型应该针对全桥结构进行合理的简化截取，不能忽略边跨的影响。对于三跨对称的变截面箱梁桥，一般可以忽略箱梁横坡在分析中的影响，考虑结构在立面与横截面上的对称性，可取全桥1/4结构作为计算模型。在对称面上，根据结构对称性的力学原理施加对称约束。跨中箱梁底板较薄，预应力孔道的影响不宜忽视，所以在计算模型中应较准确地模拟其削弱作用。如果直接以圆形模拟孔道，由于抽取孔道后的结构模型复杂，单元数量庞大，计算困难。根据跨中合龙束张拉时向管道下方挤压的特点，并兼顾网格划分的方便性，建议孔道以正六边形近似模拟。底板合龙束在张拉中，径向力表现为沿孔道下表面对底板的挤压，也即钢束沿程的径向力以面荷载形式作用于孔道下壁面上。建议采用等效荷载的方法模拟预应力作用，即利用沿程均布荷载模拟径向力作用，可以通过面荷载的形式施加于孔道下方，端部集中荷载则可模拟预应力在锚固点或线形转折点处产生的作用效应。由于关心底板在径向力作用的应力状况，模型结构划分必须疏密有致。相对于箱梁其他部分，底板划分精度应更高。另外，对于该类复杂模型，采用区域自由网格划分省时省力，单元质量易于保证。虽然推荐模型没有对悬臂施工过程进行仿真分析，但考虑到中跨合龙前，跨中底板区段的应力累积值较小，仅对模型施加中跨合龙束，分析其对底板的径向力作用就足够精确了。3.2算例某主跨为47m+75m+47m的预应力混凝土变截面连续刚构，箱梁顶宽16.5m，底宽4.0m，悬臂长4.25m，跨中梁高2.0m，根部梁高4.2m，梁底均按1.5次抛物线变化，腹板变厚度40～50cm，底板变厚度25～50cm，主梁采用C50混凝土。跨中纵向22束19φs15.2mm的钢绞线单排布置于箱梁底板，每束锚下张拉控制应力为1395MPa。在张拉中，合拢段附近底板出现了开裂和崩裂现象。以下采用本文建议的建模方法对径向力效应进行分析。(1)计算模型的建立取全桥1/4结构作为计算模型，根据力学原理，在对称面上施加对称约束，边支座只约束竖向位移，桥墩底部固结。(2)单元划分梁体采用soild45实体单元，采用正六边形近似模拟预应力筋的圆形孔道。为得到箱梁底板关心部位的应力状况，对箱梁网格划分精度进行控制，尤其对底板的预应力孔道下方网格密度明显高于箱梁其他部分，孔道布置区域底板采用自由划分，孔道下方则采用映射划分。(3)预应力作用模拟预应力等效均布力通过面荷载形式施加于孔道下缘，等效集中力加载在钢束端头锚垫板范围内的节点上。单束集中力为3710.7kN，由于钢束沿程曲率半径不断变化，径向力取值为5.53~41.8kN/m，跨中取大值。(4)计算结果分析表明，距跨中3m处截面的横向拉应力较大，图4和图5给出了此截面的横向应力分布。从图中可以看出，在底板合龙束作用下，底板下缘存在明显的横向拉应力，最大值达到了3.9MPa。横向拉应力分布与该桥实际出现的纵向裂缝位置相吻合。-4-20246-4-2024箱梁底板横向位置/m底板横向应力/MPa底板上缘底板下缘图4箱梁底板横向拉应力云图图5箱梁底板横向应力分布图6为中跨跨中梁段在合龙束作用下箱梁底板竖向应力分布图，可见腹板内侧以及腹板附近的孔道都存在较大竖向拉应力，孔道内竖向拉应力最大值可达2.9MPa。（a）某梁段竖向拉应力云图（b）孔道区域竖向拉应力云图图6箱梁底板竖向拉应力云图4结论结合以上分析，认为对以下几点应受到足够重视：（1）箱梁底板在径向力作用下崩裂，虽是局部现象，但由于中跨合龙束在张拉中会引起全桥内力发生变化，所以必须从全桥结构出发，根据力学原理，谨慎地选取模型范围及其边界条件。（2）为得到径向力作用区域的局部应力量值，必须在模型细节上采取措施。如在模型中建立正六边形的预应力孔道，并通过预应力等效荷载方法以实现对合龙钢束作用的模拟，对底板尤其是孔道下方进行网格划分控制等等。参考文献[1]冯鹏程,吴游宇,杨耀铨,李朝阳.连续箱梁底板崩裂事故评价[J].世界桥梁,2006(1):66-69[2]包立新,杨广来,杨文军.对连续刚构底板开裂问题的探讨[J].公路,2004(8):39-41.[3]潘钻峰,吕志涛.大跨度连续刚构桥主跨底板合龙预应力束的空间效应研究[J].世界桥梁,2006(4):36-39.[4]魏乐永,沈旭东,肖汝诚,谭红梅.预应力混凝土连续箱梁底板崩裂破坏的机理和对策研究[J].结构工程师,2007(2):53-57.