林海峰,張冬冬,趙啟林
(1.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,南京 210007)
合龍段及其附近底板的分層破壞是懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在施工期內(nèi)最為普遍的一種破壞形式。傳統(tǒng)研究普遍認(rèn)為因?yàn)榈装暹B續(xù)束的徑向分力導(dǎo)致管道之間混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力,尤其當(dāng)管道之間會(huì)面為薄弱面,豎向拉應(yīng)力較大,拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),在該剖面出現(xiàn)沿橫向的上下分層破壞現(xiàn)象。為此,許多橋梁對徑向力導(dǎo)致的豎向拉應(yīng)力進(jìn)行了簡化計(jì)算或者三維有限元計(jì)算分析,但是計(jì)算得到的豎向拉應(yīng)力往往小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,這樣即使不設(shè)置勾筋等普通鋼筋,底板也不會(huì)出現(xiàn)橫向裂縫,更不會(huì)出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象。
事實(shí)上,許多橋梁還是在跨中連續(xù)索張拉過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層現(xiàn)象,究其原因是在設(shè)計(jì)中沒有考慮到底板的特殊受力狀態(tài),沒有選擇更為合適的混凝土強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。事實(shí)上,在底板索張拉過程中,底板的混凝土不僅受到豎向拉應(yīng)力作用,還受到強(qiáng)大縱向壓應(yīng)力作用,即處于雙軸拉/壓的應(yīng)力狀態(tài),因此所采用的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則是不合適的,而應(yīng)該采用雙向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。為此,文章選擇多座發(fā)生底板分層破壞以及沒有發(fā)生分層破壞的典型橋梁作為研究對象,采用有限元法計(jì)算其底板預(yù)應(yīng)力束管道之間的應(yīng)力狀態(tài),隨后將底板計(jì)算應(yīng)力分別帶入不同的判別準(zhǔn)則中以預(yù)測底板出現(xiàn)開裂的可能性,并在橋梁施工過程中對一些橋梁底板應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測,從而判斷哪種準(zhǔn)則更適合解決底板的分層破壞問題,進(jìn)而為底板的抗裂設(shè)計(jì)提供參考。
變截面混凝土箱梁一般都采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),在1985年與2004年公布的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中均對混凝土開裂控制提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算要求,但是該類型橋梁出現(xiàn)開裂的概率與嚴(yán)重程度明顯高于其他類型的混凝土橋梁,究其原因,除了部分施工控制誤差等原因外,與規(guī)范所提出的混凝土抗裂設(shè)計(jì)計(jì)算理論不能完全適用于掛籃施工的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋也有密切關(guān)系。具體地說,以往的橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范更多的是將橋梁結(jié)構(gòu)按受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受扭構(gòu)件等一維或二維的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算,而構(gòu)件混凝土的抗裂驗(yàn)算都是基于第一主拉應(yīng)力準(zhǔn)則,即認(rèn)為混凝土開裂都是混凝土拉應(yīng)力值超過抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致的,混凝土只會(huì)發(fā)生拉斷一種破壞形態(tài)。事實(shí)上,變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋有明顯的三維空間效應(yīng),許多部位的混凝土處于多軸應(yīng)力狀態(tài)下,而多軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土不僅拉斷破壞形式,而且有柱狀壓壞、片狀劈裂、斜剪破壞、擠壓流動(dòng)等其他破壞形式[1]。因此,選擇合適的混凝土破壞準(zhǔn)則對預(yù)測混凝土材料承載力有重要影響。
最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則(maximum tensile stress criterion)是1876年由Rankin提出的,該準(zhǔn)則假定:當(dāng)最大拉應(yīng)力超過材料的極限值時(shí),認(rèn)為發(fā)生破壞。該準(zhǔn)則提出后,大量學(xué)者對其適用性進(jìn)行了研究,已經(jīng)指出該準(zhǔn)則主要適用于承受拉伸和較小壓應(yīng)力下材料破壞的描述[3],而不符合混凝土在多軸壓力作用下的情況。只要當(dāng)此點(diǎn)上的最大主應(yīng)力達(dá)到簡單拉伸實(shí)驗(yàn)得出的材料抗拉強(qiáng)度ft時(shí),就認(rèn)為混凝土發(fā)生脆斷,無論通過材料內(nèi)一點(diǎn)在其他平面上產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力如何。根據(jù)這一準(zhǔn)則確定的破壞面方程為
式(1)中,σi(i=1,2,3) 為主應(yīng)力,f't=nft(其中f't為單軸抗拉強(qiáng)度,n為換算系數(shù),ft為由簡單拉伸實(shí)驗(yàn)得出的材料抗拉強(qiáng)度)。式(1)也可采用( I1,J2,θ)或 (ρ,ξ,θ)的形式,其中 I1為主應(yīng)力不變量,J2為主應(yīng)力偏量不變量,ξ、ρ、θ分別為采用柱坐標(biāo)系時(shí)的靜水壓力、偏平面應(yīng)力、相似角。于是得到了如圖1所示的垂直于3個(gè)主應(yīng)力軸的3個(gè)平面,該平面稱為“裂斷面”或“拉伸破壞面”。
圖1 最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則(拉斷)Fig.1 Maximum tensile stress criterion(snap)
有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)可以合理地簡化為平面應(yīng)力狀態(tài),它與單軸應(yīng)力下的情況相差較大,主要分為雙軸受壓、雙軸拉—壓、雙軸受拉3種情況。大跨度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋一般在結(jié)構(gòu)內(nèi)部施加了較大的縱向和豎向壓應(yīng)力,而由于跨中連續(xù)索的徑向力、錨固力等作用產(chǎn)生的局部橫向與豎向拉應(yīng)力一般較小,因此該類型橋梁結(jié)構(gòu)并不適合采用最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則,而適合用雙軸應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則來進(jìn)行抗裂的控制設(shè)計(jì)。目前,較常用的雙軸應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則主要有 Kupfer&Gerstle準(zhǔn)則與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的簡化判別準(zhǔn)則。
2.2.1 Kupfer & Gerstle 準(zhǔn)則[4]
目前用于描述雙軸應(yīng)力下強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型有許多,其中以Kupfer&Gerstle準(zhǔn)則最為典型,公式形式簡單,采用的參數(shù)少且精確性較好,至今仍然被廣泛采用,其表達(dá)式為雙軸受壓
式(2) ~(4)中,系數(shù)a= σ1/σ2;f'c和f't分別為混凝土單軸應(yīng)力情況下的圓柱體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;σ1c和σ2c分別為雙軸應(yīng)力下σ1和σ2方向混凝土的抗拉(壓)強(qiáng)度。由式(2)~式(4)可見,當(dāng)混凝土處于雙向壓應(yīng)力作用下時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度高于單軸應(yīng)力下的混凝土抗壓強(qiáng)度;當(dāng)混凝土處于拉—壓雙向應(yīng)力作用下時(shí),混凝土抗壓與抗拉強(qiáng)度均將下降,其中豎向抗拉能力最低可能只有單向抗拉強(qiáng)度的20%左右;當(dāng)混凝土處于雙向拉應(yīng)力作用下,混凝土抗拉強(qiáng)度與單軸應(yīng)力下混凝土抗壓強(qiáng)度相當(dāng)(見圖2)。
圖2 雙軸應(yīng)力下混凝土強(qiáng)度包絡(luò)圖Fig.2 Envelopes of concrete strength under biaxial stress
2.2.2 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的簡化判別準(zhǔn)則[4]
為了使混凝土結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計(jì)更符合材料的基本特性,我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)中不僅新增了混凝土的多軸強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系,而且將混凝土多軸強(qiáng)度驗(yàn)算進(jìn)行了簡化,便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行多軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土抗裂設(shè)計(jì)。在規(guī)范中規(guī)定:多軸強(qiáng)度不是按照第一主應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算,而是進(jìn)行三個(gè)或兩個(gè)主應(yīng)力的聯(lián)合驗(yàn)算,即 σi≤ fi(i=1,2,3) ,其中,σi是第 i方向主應(yīng)力,fi是第i方向的許用應(yīng)力,只有3個(gè)方向的主應(yīng)力都滿足上式,結(jié)構(gòu)才是安全的,對于雙軸應(yīng)力下的fi(i=1,2,3),結(jié)合圖3按照表1進(jìn)行計(jì)算。
表1 二軸強(qiáng)度計(jì)算式Table 1 Biaxial strength formula
圖3 GB 50010—2002推薦采用的雙向應(yīng)力下混凝土強(qiáng)度包絡(luò)圖Fig.3 Envelopes of concrete strength under biaxial stress that the GB 50010—2002 recommends
現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 62—2004)中的箱梁抗裂驗(yàn)算是基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則的,分為正截面抗裂驗(yàn)算和斜截面抗裂驗(yàn)算。
在進(jìn)行正截面抗裂設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算,要求拉應(yīng)力符合以下要求:
1)對于預(yù)制的全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用短期效應(yīng)組合下,σst≤0.85σpc≤0;
2)對于分段澆筑或砂漿接縫的縱向分塊構(gòu)件,在作用短期效應(yīng)組合下,σst-0.80σpc≤0;
3)對于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用短期效應(yīng)組合下,σst- σpc≤0.7ftk;
4)對于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用長期效應(yīng)組合下,σlt-σpc≤0。
其中,σlt,σst分別為作用短期效應(yīng)組合、作用長期效應(yīng)組合下構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力,按式(5)計(jì)算
式(5)中,Ms,Ml分別為作用短期、長期效應(yīng)組合計(jì)算的彎矩值。
在進(jìn)行斜截面抗裂設(shè)計(jì)時(shí),要求對構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力σtp進(jìn)行驗(yàn)算,即符合下列要求:
1)對于預(yù)制或現(xiàn)場澆筑構(gòu)件,在作用短期效應(yīng)組合下,σtp≤0.6ftk或 σtp≤0.4ftk;
2)對于預(yù)制或現(xiàn)場澆筑的A類和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用短期效應(yīng)組合下,σtp≤0.7ftk或 σtp≤0.5ftk。其中,ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,而ftk前的系數(shù)為表達(dá)材料離散性的各種安全保證系數(shù),σtp為由作用短期效應(yīng)組合和預(yù)應(yīng)力共同產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力,按式(6)計(jì)算
式(6)中,σcx為在計(jì)算主動(dòng)點(diǎn)的混凝土法向應(yīng)力;σcy為計(jì)算主動(dòng)點(diǎn)豎向壓應(yīng)力;τ為計(jì)算主應(yīng)力點(diǎn)的混凝土剪應(yīng)力。
目前的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范在進(jìn)行受彎構(gòu)件的抗裂驗(yàn)算時(shí),按照第一主拉應(yīng)力進(jìn)行混凝土抗裂驗(yàn)算本身在理論上就是不完善的。因?yàn)楦鶕?jù)大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明[1]:混凝土在雙向受壓時(shí)的極限強(qiáng)度比單向受壓強(qiáng)度大,應(yīng)力比為0.5時(shí)增長最大,約為22%;在壓—拉情況下,混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都明顯下降;雙向受拉時(shí)的強(qiáng)度與單向受拉強(qiáng)度基本相同;所有單向、雙向應(yīng)力狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)破壞形式的破壞面均與最大拉應(yīng)變方向正交,破壞時(shí)拉應(yīng)變大小是固定的,但是隨受壓程度增加而增加,表明混凝土可承受的非直接受拉應(yīng)變能力明顯大于直接受力受拉應(yīng)變能力。由此可見,雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土抗拉強(qiáng)度是受另外一個(gè)方向壓應(yīng)力影響的,但是《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 62—2004)中是按照第一主應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度來驗(yàn)算,如果假定τ=0,X方向應(yīng)力σcx為拉應(yīng)力,Y方向應(yīng)力σcy為壓應(yīng)力,則式(6)可以簡化成σtp=σcx,則抗裂控制方程為σcx≤aftk。因而,在雙向應(yīng)力狀態(tài)下,抗裂驗(yàn)算只與X方向的拉應(yīng)力值有關(guān),而Y方向的壓應(yīng)力值σcy無關(guān),這明顯與實(shí)驗(yàn)結(jié)論是不一致的。
由前述描述與分析可見,現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范抗裂設(shè)計(jì)計(jì)算理論是滯后于混凝土基本理論發(fā)展的,因此,該類型橋梁結(jié)構(gòu)并不適合采用最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則,而更適合選用更符合混凝土基本受力特點(diǎn)的雙軸應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則來進(jìn)行抗裂的控制設(shè)計(jì)。
為了對前述不同準(zhǔn)則在抗裂驗(yàn)算時(shí)的有效性進(jìn)行對比,本節(jié)將選取8座典型橋梁實(shí)例(其中4座為破壞案例,另外4座為沒有破壞案例)進(jìn)行ANSYS有限元建模與計(jì)算,分別得到其合龍段底板預(yù)應(yīng)力管道間的豎向拉應(yīng)力與縱向壓應(yīng)力,以便進(jìn)行進(jìn)一步的安全性預(yù)測。
選取的所有典型橋梁均采用變高度單箱單室直腹板截面,主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系,混凝土標(biāo)號為C50,其他基本參數(shù)見表2。
表2 典型橋梁的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the typical bridges
橋梁三維建模采用大型通用有限元程序ANSYS10.0,預(yù)應(yīng)力鋼束用 LINK8桿單元,混凝土用Solid 65六面體單元來模擬,考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性,以及施工時(shí)荷載的正對稱性,為了控制計(jì)算規(guī)模,選取箱梁中跨的1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。邊界條件如下:在切開面均采用對稱約束,約束箱梁支座位置節(jié)點(diǎn)的全部自由度來模擬梁墩臨時(shí)固結(jié)的情況。預(yù)應(yīng)力筋采用實(shí)體力筋法,由桿單元的初應(yīng)變來模擬,頂板、腹板鋼束的節(jié)點(diǎn)與離得最近的混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合;底板預(yù)應(yīng)力鋼束節(jié)點(diǎn)與混凝土單元共節(jié)點(diǎn)。非預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響,通過Solid65實(shí)體單元與配筋率相關(guān)的實(shí)常數(shù)來考慮。圖4是其中建立的破壞案例4的ANSYS整體模型與合龍段局部模型(由于篇幅限制,其他橋梁的有限元模型未列出)。
圖4 破壞案例4的ANSYS整體模型與合龍段局部模型Fig.4 The overall ANSYS model and the closure segment’s partial ANSYS model of failure case 4
考慮到合龍段底板的預(yù)應(yīng)力孔道處橫截面是整個(gè)底板最薄弱的環(huán)節(jié),因此重點(diǎn)考察合龍段底板在預(yù)應(yīng)力孔道中心切面上的應(yīng)力狀態(tài),如圖5所示??臻g應(yīng)力結(jié)果分析中,X向指的是橫向,Y向指的是豎向,Z向指的是縱向,應(yīng)力正值為拉,負(fù)值為壓。所有典型橋梁的合龍段預(yù)應(yīng)力管道之間的豎向應(yīng)力與縱向壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。
圖5 底板預(yù)應(yīng)力孔道中心處剖面示意圖Fig.5 Diagram of cross section of the central of pre-stressed tendon at bottom slab
表3 典型橋梁底板預(yù)應(yīng)力管道之間的應(yīng)力狀態(tài)Table 3 Stress state between pre-stressed tendons of the typical bridges
為了驗(yàn)證在不同準(zhǔn)則下的底板抗裂是否安全,本節(jié)將前節(jié)得到的縱向壓應(yīng)力均值、管道之間最大拉應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果以及C50抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、標(biāo)準(zhǔn)值(見表3)分別代入前述《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 62—2004)、Kupfer&Gerstle準(zhǔn)則以及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)推薦的簡化判別準(zhǔn)則中的相應(yīng)計(jì)算公式中,分別利用不同準(zhǔn)則對底板的安全性進(jìn)行預(yù)測,并與典型橋梁實(shí)測破壞結(jié)果做了對比。其中,在《橋規(guī)》的計(jì)算中,C50混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為32.4 MPa與2.65 MPa,抗壓與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為22.4 MPa與1.83 MPa。不同準(zhǔn)則下的典型橋梁應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算結(jié)果對比見表4。
表4 利用不同準(zhǔn)則對比典型橋梁應(yīng)力狀態(tài)Table 4 Stress state of the typical bridges under different Criteriaes
由表4可見,按照最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行底板分層抗裂安全性預(yù)測時(shí),8座橋梁只有一座橋的預(yù)測結(jié)果與橋梁的設(shè)計(jì)狀態(tài)相一致;而按照拉—壓雙向應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)測,8座橋梁有7座橋梁預(yù)測結(jié)果與橋梁實(shí)測狀態(tài)是一致的,因此大跨度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的底板分層破壞更應(yīng)該采用雙向應(yīng)力強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則來進(jìn)行判別。建議按照我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)提出的雙軸強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行混凝土抗裂設(shè)計(jì)。
1)預(yù)應(yīng)力管道之間的豎向拉應(yīng)力以及底板縱向壓應(yīng)力是導(dǎo)致分層破壞的主要因素,降低豎向拉應(yīng)力與縱向壓應(yīng)力值都可以有效降低底板分層破壞的概率,管道之間的豎向拉應(yīng)力是受梁體曲率、單索張拉控制力以及管道間距等因素影響,可以進(jìn)行局部優(yōu)化,降低豎向拉應(yīng)力值。
2)底板分層抗裂設(shè)計(jì)時(shí),《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)所采用的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則是不合適的,應(yīng)該采用雙向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,建議按照我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)提出的雙軸強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行混凝土抗裂設(shè)計(jì)。
3)雖然預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋底板崩裂現(xiàn)象在實(shí)際工程中常有發(fā)生,但若在設(shè)計(jì)和施工中注意合理設(shè)計(jì)合龍段預(yù)應(yīng)力連續(xù)索,同時(shí)加強(qiáng)拉結(jié)筋、箍筋、防崩定位鋼筋等構(gòu)造鋼筋的設(shè)置,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋底板崩裂現(xiàn)象是可以有效避免的。
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