温度场作用下混凝土桥塔Ⅰ型裂纹开裂面应力场分析.pdf

5 O 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 6期 温度场作用下混凝土桥塔 I型裂纹开裂面应力场分析 任翔 。 黄 平 明 ( 1 西安科技大学建筑与土木工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ； 2 长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ： 为 了确定温差作用下混凝土桥塔开裂面的应 力分布状态 ， 采用奇异单 元模拟裂 纹尖端应力场 的奇异 性 ， 建立相应计算 I型裂纹开裂面应力分布的有限元模 型。通过数值 计算 ， 考察有 限元模 型中裂纹 尖端附近 区域 网格参数的变化对应力 场计算精度 的影 响 ， 确定各个参数的敏感程度 ， 发现在裂纹尖 端区布置奇异 单元时 ， 第 1行 单元 半径的大小对尖端 应力 场有较 大的影 响。计算 3 种 温差工况 下混凝 土桥塔未 开裂 和开裂 2种 状态下 内表面 的应力分布状态和不同裂纹 长度下开 裂面 的应 力分布变 化。结果表 明， 开裂结 构整个开裂 面应力均较未 开裂的应 力小 ， 随着裂纹长度不 断增 大， 整个开裂面的应 力不 断减小 ， 裂纹开 口端附近应力零区域有不断扩大的趋势 。 关键词 ： 桥 梁工程； 桥 塔 ； 温度场 ； 裂纹 ； 应力场 ； 有 限元 法 中图分类号 ：U4 4 1 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 5 0 0 4 1 前 言 混凝土断裂力学是断裂力学的一个新的分支 ， 它是指材料或构件 中存在着宏观裂纹 ， 用弹性力学 和弹塑性力学理论分析裂纹产生的条件及裂纹发展 规律的一门学科l_ 1 。断裂力学理论是在静态情况下 金属材料断裂研究 中得 以建立和完 善的， 后来逐渐 被用于工程断裂分析中， 特别是在混凝土构件开裂、 压碎 和钢结 构 的疲劳 开裂 等一 系列工 程 问题 中得 到 较好的应用 。1 9 6 1年 ， Ka p l a n M F l_ 2 首次将线弹性 断裂力学与混凝土 的断裂试验相结合进行研究 ， 并 将研究成果发表， 引起 了学术界 的高度重视。此后 ， 有关学者结合试验成果进行 了大量研究工作 叫 ， 研究 中发现原来适用于金属的一些基本假定 、 理论 及试验方法并不能很好地适 用于混凝土 ， 因此根据 混凝土自身的特点 ， 提出了适合混凝土的新假定、 新 理论及新的试验方法。并通过大量 的试验进行了验 证 ， 取得 了很多有价值的研究成果 。 混 凝土结 构 开裂后 ， 由于受 到温度变 化 、 冰融循 环等因素的反复作用裂缝不断扩展， 病害 日益加重 ， 使结构的承载力和使用寿命逐渐降低 ， 直至结构丧 失使用能力 ， 因此， 预防、 控制混凝土结构开裂是迫 切需要解决 的技术难题 。本文在某悬索桥混凝土桥 塔测试温度资料的基础上， 分析正温差作用下桥塔 塔壁 内表面未开裂和开裂 2种状态下开裂面的应力 分布状态及不 同裂纹长度下开裂 面的应力分布变 化。其研究成果可为今后分析反复温差作用下裂纹 扩展行为提供参考依据。 2 混凝土裂纹有限元模型及网格划分 2 1 工程 概况 某双塔单跨钢箱梁悬索桥桥塔采用 H形 空心 矩形箱结构 ， 塔高分别 为 1 4 2 2 7 m 和 1 1 2 4 1 5 m， 桥塔塔肢为横桥向 5 m等宽 ， 顺桥 向宽度按 1 0 0：1 的斜率渐变 ， 由塔 顶 6 m 渐变至北 塔塔肢 承 台顶 8 2 4 8 m、 南塔塔肢承台顶 8 8 4 5 m。塔肢裂缝主要 出现在横桥 向 2 个塔壁 内、 外侧面中心线上 ， 中心线 附近区域也有少量的裂缝 ， 裂缝主要集 中在 中横梁 附近 ， 距上横梁 1 5 m以下 、 距桥 面 2 m 以上的范围 内。内表面裂缝较少 ， 长度较短 ， 外表面裂缝较多 ， 长度较长。而塔肢顺桥 向 2个塔壁 内、 外侧 面上无 裂缝 产生 。 2 2 有限元模型 裂纹分为 3种类型 ， I型为张开型， 型为滑开 型 ， 型为撕裂 型 4 。混凝土桥塔结构沿高度方 向开裂主要是 由于横 向( 截面切向) 拉应力作用而开 裂 ， 属 工型裂纹 。混凝 土桥塔开裂 面应力场分布按 二维平面来计算 ， 见图 1 ( a ) 所示 ， 图中所示结 构为 该悬索桥混凝土桥塔 的横断面， 裂纹位置在东侧塔 壁 内表面 中线处， 裂纹长 3 5 7 mm， 宽 0 6 mm， 为 直线裂纹( 裂纹面宽度是指东侧塔壁 内表面宽度) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一O 4 2 0 基金项 目： 陕西教育厅科研计划项 目资助( 1 1 J K0 8 8 7 ) ； 西安科技大学培育基金项 目( 2 0 1 0 0 3 6 ) 作者简介 ： 任翔 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 讲师 ， 2 0 0 3年毕业 于内蒙古工业大学土木工程专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 6年毕业于长安 大学桥梁与隧道工程专业 工学硕士 ， 2 0 0 9年毕业 于长安大学桥梁与隧道工程专业 ， 工学博士 ( E ma i l ： r e n x i a n g 7 9 8 1 6 3 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 温 度场作用下混凝土桥塔 I型裂纹开裂面应力场分析 任翔 ， 黄平明 5 3 An a l y s i s o f Cr a c k i ng S u r f a c e S t r e s s Fi e l d o f Ty p e I Cr a c k o f Co n c r e t e Br i d g e To we r Un d e r Ac t i o n o f Te mpe r a t u r e Fi e l d REN Xi a n g ，H UANG Pi ng mi n g。 ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g，Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Xi a n 7 1 0 0 5 4，Ch i n a ；2 Ke y La b o r a t o r y f o r Br i d g e a n d Tu n n e l o f S h a a n x i Pr o v i n c e ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 6 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To d e t e r mi n e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n c o n d i t i o n s o f t h e c r a c k i n g s u r f a c e o f Ty p e I c r a c k o f c o n c r e t e b r i d g e t o we r u n d e r t h e a c t i o n o f t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e s ，t h e s i n g u l a r i t y e l e me n t s we r e u s e d t o s i mu l a t e t h e s i n g u l a r i t y o f t h e s t r e s s f i e l d a t t h e c r a c k t i p a n d t h e c o r r e s p o n d i n g f i n i t e e l e me n t mo d e l s f o r c a l c u l a t i n g t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e c r a c k i n g s u r f a c e we r e e s t a b l i s h e d Th r o u g h t h e n u me r i c a l C a l c u l a t i o n，t h e i n f l u e n c e s o f g r i d p a r a me t e r c h a n g e s i n t h e a r e a n e a r t h e c r a c k t i p i n t h e f i n i t e e l e me n t mo d e l s o n t h e c a l c u l a t i o n a c c u r a c y o f t h e s t r e s s f i e l d we r e i nv e s t i g a t e d，t h e s e ns i t i v i t y o f e a c h pa r a me t e r wa s de t e r mi ne d a n d i t wa s f ou nd t h a t wh e n t h e s i n g u l a r i t y e l e me n t s we r e l a i d o u t i n t h e a r e a o f t h e c r a c k t i p ，t h e s c a l e o f r a d i u s o f t h e f i r s t a r r a y e l e me n t s h a s g r e a t i n f l u e n c e o n t h e s t r e s s f i e l d a t t h e c r a c k t i p Th e i n n e r s u r f a c e s t r e s s d i s t r i b u - t i o n c o n d i t i o n s o f t wo k i n d s o f t h e s i t u a t i o n s l i k e t h e c r a c k i n g a n d u n c r a c k i n g o f t h e t o we r u n d e r t h r e e k i n d s o f t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e l o a d c a s e s a n d t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n c h a n g e s o f t h e c r a c k i n g s u r f a c e u n d e r d i f f e r e n t l e n g t h o f t h e c r a c k we r e c a l c u l a t e d Th e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n r e v e a l t h a t t h e s t r e s s o f t h e e n t i r e c r a c k i n g s u r f a c e o f t h e c r a c k i n g s t r u c t u r e i s l e s s t h a n t h a t o f t h e u n c r a c k i n g s t r u c t u r e W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e l e n g t h o f t h e c r a c k，t h e s t r e s s i n t h e e n t i r e c r a c k i n g s u r f a c e wi l l c o n s t a n t l y d e c r e a s e a n d t h e s t r e s s z e r o a r e a n e a r t h e c r a c k o p e n i n g e n d t e n d s t o c o n s t a nt l y e x pa nd Ke y wo r d s ：b r i d g e e n g i n e e r i n g；b r i d g e t o we r ；t e mp e r a t u r e f i e l d；c r a c k；s t r e s s f i e l d；f i n i t e e 1 e me nt me t ho d mm ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， l i b， ， l IP， mI ， l ib ， ， ， ， ， ， I ， ， l ， ， ， l l ， l ， I ， ， ， l 欢迎订 阅 2 0 1 2年度 世 界 桥 梁 世 界 桥 梁 是 中文核心期刊、 中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊 、 中国核心期刊( 遴选) 数据库 收录期刊 、 中国学术期刊( 光盘版) 入编期刊、 中国科技期刊精品数据库入选期刊 ， 中国科技期刊网入网期刊， c A J C D规范 执行优秀期刊 。 世 界 桥 梁 国际标准连续 出版物号 I S S N 1 6 7 1 7 7 6 7 ， 国内统一连续 出版物号 C N 4 2 1 6 8 1 U， 邮发 代号 3 8 5 5 。 世 界 桥 梁 为双月刊( 单月 2 8日出版) ， 大 1 6开本 ( 8 0页) ， 每册定价 1 2 0 O元 全年定价 7 2 O 0元 。 全国各地邮局均可订阅， 编辑部亦可办理邮购。 世 界 桥 梁 持有广告经营许可证 ， 代办设计 ， 收费合理， 时效持久 ， 欢迎洽谈 。 编辑部地址 ： 武汉市建设大道 1 0 3号 电话 ： ( 0 2 7 ) 8 3 5 5 O 0 8 1 E - 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