薛興偉,華旭東,周俊龍
(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)
鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋因構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、可大批量工廠化集中預(yù)制、裝配式施工等諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛使用,成為小跨徑橋梁(10~20 m)的首選橋型之一。
裝配式空心板梁橋多以簡(jiǎn)支梁為主,其橫橋向由多片預(yù)制的空心板組成,板間設(shè)置現(xiàn)澆的鉸縫,在主梁架設(shè)完畢后,橋面澆筑9~15 cm厚的混凝土整體化層。通過橋面現(xiàn)澆層和鉸縫,空心板梁橋各片空心板在橫向?qū)崿F(xiàn)剪力的傳遞,達(dá)到共同承擔(dān)汽車荷載的目的。
然而,現(xiàn)有的裝配式空心板梁橋經(jīng)常出現(xiàn)鉸縫的破壞。破壞程度輕的,企口縫混凝土與空心板側(cè)壁相分離,雨水大量滲透并輕微侵蝕混凝土;破壞程度嚴(yán)重的,鉸縫處混凝土已經(jīng)完全脫落,受水的嚴(yán)重侵蝕,空心板失去橫向連接能力和傳力能力,出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象[1-2]。
相關(guān)研究[3-9]表明:傳統(tǒng)鉸縫出現(xiàn)破壞的根本原因是,鉸縫的寬度較小,鉸縫下緣最窄處僅1 cm,企口處僅11 cm,導(dǎo)致整個(gè)鉸縫的混凝土無(wú)法有效振搗,鉸縫底部?jī)H能填充水泥砂漿;傳統(tǒng)鉸縫內(nèi)無(wú)法布置合適的受力鋼筋,使得鉸縫在縱橋向不具備抗彎和抗裂能力,在二期恒載、收縮徐變、溫度梯度及汽車荷載的作用下,縱橋向?qū)a(chǎn)生超過混凝土抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力,從而導(dǎo)致鉸縫的開裂破壞。
傳統(tǒng)的鉸縫結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上存在缺陷,在投入運(yùn)營(yíng)后必然出現(xiàn)開裂,進(jìn)而失效,產(chǎn)生“單板受力”現(xiàn)象。因此,有必要設(shè)計(jì)一種可靠的鉸縫結(jié)構(gòu),從根本上解決其先天不足的問題,以保證鉸縫的正常工作和橋梁的整體受力[10-11]。
本文以交通部2014年標(biāo)準(zhǔn)圖的13 m空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)象,設(shè)計(jì)了一種新型空心板鉸縫結(jié)構(gòu),并通過建立Midasfea三維有限元分析模型,分析其主要的受力特征,并給出新型鉸縫結(jié)構(gòu)相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)。
本文所提出的新型空心板鉸縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中鉸縫的寬度為20~60 cm,相比傳統(tǒng)鉸縫有所增大,有利于鉸縫混凝土的振搗,使得鉸縫混凝土的施工質(zhì)量得到有效保證;同時(shí)提供了布置縱向抗彎鋼筋、橫向抗彎鋼筋的空間,使鉸縫具備橫向和縱向的抗彎能力。在預(yù)制空心板間設(shè)置橫向搭接鋼筋、箍筋,使得空心板與鉸縫能更好地形成一個(gè)整體,具備更強(qiáng)的抗剪能力。
選取交通部2014年標(biāo)準(zhǔn)圖的13 m簡(jiǎn)支裝配式先張法預(yù)應(yīng)力空心板橋作為研究對(duì)象,如圖2所示。其單幅橋?qū)?2 m,荷載等級(jí)為公路I級(jí)。該橋由9片1 296 cm×124 cm×70 cm的預(yù)制空心板組成,邊板挑臂為38 cm,空心板間鉸縫底部寬1 cm,企口位置寬11 cm,橋面現(xiàn)澆層厚10 cm??招陌濉q縫及橋面現(xiàn)澆層均采用C50混凝土。
圖2 傳統(tǒng)13 m空心板橋橫斷面
采用本文所提出的新型鉸縫對(duì)該橋橫斷面進(jìn)行重新設(shè)計(jì),如圖3所示。將空心板間鉸縫底部寬度由1 cm調(diào)整為20 cm,企口位置寬度由11 cm調(diào)整為40 cm;將原先空心板片數(shù)由9片調(diào)整為8片,邊板翼緣挑臂由38 cm調(diào)整為34 cm,其他參數(shù)不變。
圖3 采用新型鉸縫的空心板橋橫斷面
采用Midasfea六面體8節(jié)點(diǎn)單元建立空間分析模型??招陌鍢蚬矂澐?0 226個(gè)節(jié)點(diǎn)、80 080個(gè)單元,對(duì)兩端支點(diǎn)位置和跨中的單元加密劃分。本橋采用簡(jiǎn)支約束,單片空心板底共設(shè)4個(gè)支座,分析模型如圖4所示,鉸縫從左至右依次命名為1#~7#。
圖4 計(jì)算分析模型
鉸縫在澆筑完成后,在施工階段主要受二期恒載和收縮徐變的作用,在運(yùn)營(yíng)期間主要受車輛荷載和溫度梯度作用[12-14]。因此,本文考慮的主要荷載如下。
(1)二期恒載包含防撞墻和瀝青鋪裝,防撞墻均布?jí)毫?6 kN·m-2,瀝青鋪裝均布?jí)毫?.4 kN·m-2。
(2)假定預(yù)制空心板的齡期為90 d,鉸縫和橋面現(xiàn)澆層的齡期為3 d,計(jì)算空心板、鉸縫和橋面板10年的收縮徐變差異。
(3)車輛荷載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)將雙后軸對(duì)稱施加于橋梁跨中,單個(gè)后軸車輪對(duì)橋面施加70 kN的節(jié)點(diǎn)集中力。
(4)溫度梯度正溫差按橋面板表面最高溫度T1=14 ℃、橋面板以下100 mm處溫度T2=5.5 ℃計(jì)算,反溫差為正溫差的0.5倍。
鉸縫經(jīng)歷了施工階段和運(yùn)營(yíng)階段,因此計(jì)算分析主要考慮以下3個(gè)工況。
工況一:施工階段。主要施工順序?yàn)椋旱跹b預(yù)制空心板(材料齡期90 d);澆筑鉸縫和橋面現(xiàn)澆層(材料齡期3 d);施加二期恒載;完成3 650 d的收縮徐變發(fā)展。通過查看成橋10年后鉸縫的受力情況,分析二期恒載和收縮徐變對(duì)鉸縫受力的影響。
工況二:車輛荷載。該工況考慮了4種車輛荷載在橫橋向的布置方式(圖5):方式1,車輛對(duì)稱居中布置,見圖5(a);方式2,車輛布置于橫橋向中部位置,一側(cè)后軸作用于中間鉸縫上,見圖5(b);方式3,車輛布置于橫橋向外側(cè)位置,外側(cè)后軸作用于最外側(cè)鉸縫上,見圖5(c);方式4,車輛布置于橫橋向最外側(cè)位置,外側(cè)后軸作用位置距離防撞墻50 cm,見圖5(d)。
圖5 四種車輛荷載橫向布置方式
工況三:溫度梯度。正溫差使鉸縫截面下緣產(chǎn)生壓應(yīng)力,而反溫差在鉸縫截面下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力,因此本次研究?jī)H考察溫度梯度反溫差的效應(yīng)。
根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中溫度梯度效應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算鉸縫截面的受力。
計(jì)算空心板在上述3種荷載工況作用下的受力,通過查看鉸縫的縱橋向正應(yīng)力,分析其受力特征,同時(shí)對(duì)鉸縫跨中截面進(jìn)行內(nèi)力積分,用作此后的鉸縫截面配筋設(shè)計(jì)。
完成預(yù)制空心板吊裝后,澆筑鉸縫和橋面現(xiàn)澆層,然后施加二期恒載,之后按3 650 d完成收縮徐變發(fā)展。在整個(gè)施工過程中,鉸縫受到二期恒截、收縮徐變發(fā)展差異的作用。通過三維有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算。
圖6為縱橋向正應(yīng)力效應(yīng)最大的7#鉸縫受力云圖,圖中應(yīng)力以受拉為正、受壓為負(fù)。
圖6 工況一下7#鉸縫的縱橋向正應(yīng)力
從圖6(a)可知,最大拉應(yīng)力發(fā)生在鉸縫跨中截面的下緣,為3.50 MPa,鉸縫采用的混凝土標(biāo)號(hào)為C50,其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83 MPa;由圖6(b)可知,鉸縫基本處于受拉狀態(tài),受壓基本依靠橋面現(xiàn)澆層,且鉸縫底緣以上1/2高度范圍內(nèi)的拉力均超過抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
1#鉸縫跨中截面下緣最大拉應(yīng)力分別為:3.50 MPa;2#鉸縫為3.37 MPa;3#鉸縫為3.29 MPa;4#鉸縫為3.26 MPa;5#鉸縫為3.29 MPa;6#鉸縫為3.37 MPa。橋梁跨中斷面鉸縫的最大拉應(yīng)力均已超過鉸縫混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,1#和7#鉸縫是所有鉸縫中受力最不利的鉸縫。
為了對(duì)鉸縫進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),在Midasfea中定義一個(gè)垂直于縱橋向的跨中位置平面,通過在該平面的內(nèi)力積分可得到鉸縫的內(nèi)力,圖7為最不利鉸縫7#鉸縫的內(nèi)力積分結(jié)果。
圖7 工況一下7#鉸縫內(nèi)力積分
從內(nèi)力積分結(jié)果可見,在施工階段發(fā)展過程中,鉸縫會(huì)承受較大的彎矩與拉力,處于拉彎的受力狀態(tài)。鉸縫受拉主要由空心板與鉸縫存在的收縮徐變發(fā)展差異產(chǎn)生。
通過對(duì)4種布載方式進(jìn)行對(duì)比分析可知,車輛布載方式4作用下,7#鉸縫跨中的縱橋向正應(yīng)力最大,為1.40 MPa,見圖8(a),此時(shí)7#鉸縫跨中截面、底緣以上1/2高度范圍均處于受拉狀態(tài),見圖8(b)。
圖8 布置方式4時(shí)7#鉸縫的縱橋向正應(yīng)力
同樣,通過內(nèi)力積分得到7#鉸縫跨中截面的縱橋向彎矩值為40.10 kN·m,軸向拉力為2.94 kN。
根據(jù)式(1)~(3)計(jì)算得溫度梯度作用時(shí)鉸縫的縱橋向內(nèi)力和正應(yīng)力,結(jié)果如表1所示,表中應(yīng)力正值為壓應(yīng)力,負(fù)值為拉應(yīng)力。
表1 溫度梯度作用時(shí)鉸縫的受力
由表1可知,反溫差也會(huì)在鉸縫截面下緣產(chǎn)生0.51 MPa的拉應(yīng)力,其對(duì)應(yīng)的軸力和彎矩都較大,且軸力為壓應(yīng)力。
由上述計(jì)算結(jié)果可知,新型鉸縫在上述二期恒載、收縮徐變、車輛荷載及溫度梯度作用下,7#鉸縫即最外側(cè)鉸縫是受力最不利的鉸縫。
對(duì)7#鉸縫按照上述方法進(jìn)行內(nèi)力提取并組合得:承載能力極限狀態(tài)基本組合的設(shè)計(jì)彎矩值Md=184.38 kN·m,設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的軸向拉力Nd=224.40 kN;正常使用極限狀態(tài)的長(zhǎng)期效應(yīng)組合軸力值Nl=274.40 kN,長(zhǎng)期效應(yīng)組合彎矩值Ml= 110.44 kN·m,短期效應(yīng)組合軸力值Ns=240.20 kN,短期效應(yīng)組合彎矩值Ms=121.87 kN·m。
按矩形截面進(jìn)行計(jì)算,鉸縫截面寬度取鉸縫橫向尺寸最小的底邊尺寸,即b=200 mm。同時(shí),考慮橋面板的貢獻(xiàn),截面高度取800 mm,在鉸縫下緣配置縱向抗彎鋼筋。
分別對(duì)鉸縫進(jìn)行抗彎和抗裂驗(yàn)算,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按抗裂控制設(shè)計(jì),鉸縫下緣需配置縱向抗彎鋼筋的面積As=2 418 mm2。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在鉸縫截面下緣配置4C28的縱向受拉鋼筋,As=2 463 mm2,由于鉸縫寬度的限制,將縱向抗彎鋼筋分2層布置,如圖9所示。
圖9 鉸縫縱向配筋設(shè)計(jì)
本文在對(duì)傳統(tǒng)鉸縫受力分析的基礎(chǔ)上,提出了可克服其混凝土無(wú)法有效振搗、不具備抗彎和抗裂能力等技術(shù)缺陷的新型空心板鉸縫,并通過建立Midasfea三維有限元分析模型,分析了新型空心板鉸縫在完成施工、溫度梯度及車輛荷載作用下的受力情況,同時(shí)在對(duì)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行內(nèi)力積分后,對(duì)新型鉸縫進(jìn)行配筋。
(1)在二期恒載及考慮了空心板和鉸縫的收縮徐變差異作用等條件下,鉸縫中下部將產(chǎn)生可使鉸縫開裂的拉應(yīng)力;同樣,車輛荷載、溫度梯度反溫差同樣可使鉸縫中下部產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此,鉸縫在上述荷載作用下必然產(chǎn)生縱向裂縫,需要在鉸縫內(nèi)合理配置縱向鋼筋。
(2)車輛荷載偏載為鉸縫的最不利布載方式,此時(shí)受力最大的鉸縫為最外側(cè)鉸縫。
(3)一般實(shí)體單元僅可給出應(yīng)力結(jié)果,本文通過對(duì)實(shí)體單元進(jìn)行內(nèi)力積分,可提取得到所需的內(nèi)力,從而進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。