大跨度预应力混凝土连续箱梁0-号块抗裂分析.pdf

第 3 6卷 ， 第 2期 2 0 1 1年 4月 公 路 工 程 H i g h wa y Eng i ne e r i n g Vo1 36，No 2 Ap r ， 2 0 1 1 大跨度预 应力混凝土连续箱 梁 0 # 块 抗裂分析 柯敏 勇 ，刘 海祥 ，叶小 强 ， 唐 云清 ( 南京水利科学研究 院 ，江苏 南 京2 1 0 0 2 9 ) 摘要 大 跨 度 预 应 力 混 凝 土 连 续 箱 梁 开 裂 恶 化 了 箱 梁 的 受 力 条件 ， 还 降 低 了桥 梁 混 凝 土 的 耐 久 性 ， 导致 箱 梁结构安全度严重 降低。因此有必要开展大跨度 预应力混凝 土连续 箱 梁混凝 土抗裂 计算分 析。在介 绍弹 塑性有 限元分析基础上 ， 运用体杆耦合有 限元 模型模拟预应力钢 筋 ， 温度模式 分别参照 公路钢筋混 凝土及预应力 混凝土 桥涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 和新西兰桥规 ， 开展 $ 2 4 9京杭 运河特 大桥主 桥大跨度预 应力混 凝土连 续箱梁 0 块混凝土应力 的精 细化 仿真分析 ， 分析竖向预应力未损失 和全部 损失 工况下 的混凝 土抗裂 性能 ， 发现 在竖 向预应 力全部损失工况 ， 箱梁 O 块箱梁 腹板顶部加腋处 出现较 大的主拉应力 ， 导致该处混凝土开裂 。因此 ， 在施工中要确 保 竖 向 预 应 力 的有 效 性 。 关键 词】开裂 ；弹塑性 ；体杆耦合 ；预应力 混凝土箱梁 中图分类号 】U 4 4 1 6 文献标识码 A 文章 编号1 6 7 4 - 0 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 0 1 0 3 Cr a c k An a l y s i s o f 0 #Bl o c k f o r Co n t i n u e s Pr e s t r e s s i n g Co n c r e t e Ca n t i l e v e r Br i d g e KE M i nyo ng，LI U Ha i xi a ng，YE Xi a oq i ang，TANG Yunqi ng ( N a n j i n g Hy d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ，N a n j i n g ， J i a n g s u 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t I t w a s n e c e s s a r y t o a n a l y s i s c r a c k f o r c o n t i n u e s p r e s t r e s s c o n c r e t e c a n t i l e v e r b r i d g e d u e t o r e l i a b i l i t y o f br i d g e s wa s e f f e c t e d s i g n i f i c a n t l yThe e l a s t i c p l a s t i c F EM me t h o d，b o dy b e a m c o u pl i ng mo d e l we r e a pp l i e d，a n d t wo t e mp e r a t u r e mo d e l s we r e a d o p t e d a c c o r di ng t o Co d e for De s i g n o f Hi g h wa y Re i n f o r c e d Co n c r e t e a n d Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Br i d g e s a nd Cu l v e r t s o f Ch i n a a n d Br i d g e De s i g n o f Ne ws l a n d i n t h e p a p e r Th e s t r e s s a n d c r a c k d i s t r i b u t i o n o f 0 Bl o c k f o r ma i n b r i d g e o f$ 2 4 9 J i n g h a n g c h a n n e l we r e c a l c u l a t e d，a nd c r a c k s we r e a p p e a r e d i n t h e fla ng e a n d we b s p l i c e s wi t h wo r k p o i n t wi t h o u t p r e - s t r e s s，t h e r e f o r e，t he e f f e c t i v e o f v e i e a l pr e s t r e s s e d wa s a s s u r e d du r i n g t h e c o n s t r u c t i o n Ke y w o r d s c o n c r e t e c r a c k ；e l a s t i c p l a s t i c F E M； p r e - s t r e s s c o n c r e t e ； c a n t i l e v e r b r i d g e 0 前 言 大跨度 预应 力混 凝 土连 续箱 梁 开裂 问题 是 近年 来 关 注的焦 点 问题 。混 凝 土开裂 不 仅恶 化 了箱梁 的 受 力条 件 ， 而且 降低 了桥 梁 混凝 土 的耐久 性 ， 导致 箱 梁 结构 安全 度严 重 降低 。1 9 9 6年 l 2月 正式 通 车 的 黄 石长 江公 路 大 桥 是 国 家 重 点 工 程 ， 7 a后 与 成 桥时相比， 跨 中下挠严重 ， 大桥北 岸次边跨 2 3 墩 之间 主梁跨 中下 挠 累 计 已达 3 0 5 e m， 中跨 3 4 墩 之 间主 梁 跨 中下 挠 已达 2 1 2 c m， 南 岸 次边 跨 4 # 5 墩之间主梁跨中下挠 已达 2 2 6 c m。折合跨 径 的 1 7 2 9， 当然 同 时 出 现 大 量 的 主 拉 应 力 斜 裂 缝 与跨 中区段垂直裂缝 。检测共发 现裂 缝 6 6 3 8条 ， 其中 5 3 2 8条分布在箱梁腹板 内表面上 ( 上游腹板 2 2 0 0条 ， 下游腹 板 3 1 2 8条 ) ； 1 0 7 3条 分 布在 箱 梁 腹板外 表面 上 ( 上 游腹 板 2 7 2条 ， 下 游腹 板 8 0 1 条 ) ； 2 3 7条分布在箱梁底 板上 ； 虎 门大桥辅航道桥 跨 中下挠最大 已达到 2 2 c m， 折合跨 径的 1 1 2 2 7 ， 跨 中存在一些垂直裂缝及主拉应力斜裂缝。最近由 于垂直裂缝的发展 ， 下挠值又增大到 2 6 c m， 折合跨 径 的 1 1 0 3 8 。 1 9 9 3年 建 成 的 东 明 黄 河 大 桥 为 ( 7 5+ 71 2 0+ 7 5 ) m 的连续 刚 构桥 ， 1 9 9 7年 发 现箱 梁 腹 板开 裂 以及跨 中挠 度 加 大 ， 两 端 次 边 跨 跨 中挠 度 已达 到 l 4 5 c m 和 1 3 3 c m， 明显 大 于设 计 值 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 0 基金项 目】国家“ 8 6 3 ” 计划资助项 目( 2 0 0 7 A AI 1 2 1 0 6 )； 西部交通建 设科技资助项 目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 2 7 ) c 作者简介 】柯 敏勇( 1 9 7 0 一) ， 男 ， 浙江 台州人 ， 高级工程师 ， 研究方 向为桥 梁混凝土结构及仿 真。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 公路工程 3 6卷 3 9 e m， 箱内腹 板共查 出裂 缝 9 0 1条 ， 箱 外 3 8 7条 ， 还 在顶板、 底板、 横隔板都发现有裂缝 ， 其中腹板的开 裂 程度最 为 明显 。广东 南 海 金沙 大桥 主桥 为 ( 6 6 +1 2 0+6 6 ) m 连续 剐 构 桥 ， 1 9 9 4年 建成 通 车 ， 2 0 0 0 年底 对该 桥检查 发 现 ， 主跨 跨 中挠 度达 2 2 C T I ， 主跨 箱梁腹板有大量斜裂缝， 最大裂缝宽度 1 1 5 m m； 三 门峡黄河公路大桥 ( 1 0 5+ 4 X 1 4 0+1 0 5 ) m连续 刚构 ， 跨中区域最大下挠达到 2 2 e m， 主桥 6孔箱梁 裂缝总数 为 7 3 3条， 其 中裂缝宽度在 0 3 m m 以上 的有 1 3 9条 ， 0 5 IT l m 以上 的有 4 8条 ， 1 mm 以上 的 有 l O条 。获 中 国土木工 程 ( 詹 天佑 ) 大奖 工 程 的广 州番 禺洛 溪 大 桥 主 桥 箱 梁 的顶 板 、 腹 板 、 底 板 局 部地区出现不同程度 的裂缝 和破损 ， 其中腹板有裂 缝 7 7条 、 横 隔板有 裂 缝 9 9条 。江 阴大 桥北 引桥 ( 5 0+ 7 5+ 4 6 5 ) m 连 续 箱 梁 混 凝 土腹 板 出现 斜 裂 缝 ， 箱梁底板横向裂缝等 ， 并且底板横向裂缝裂穿底 板 ， 腹板斜向裂缝大部分贯穿腹板。实测线形 与原 设计线形相差较大 ， 中间 7 5 m跨 中明显下挠 ， 下挠 值 6 2 mm； 两 边跨跨 中均 向上起 拱 ， 5 0 m边跨 起拱 6 m m。 4 6 5 IT I 边跨起拱 1 7 m m。湖南 省交通有关 部 门 1 9 9 8年底对 8 0年代末期在湘江所建的几座连 续箱梁进行检查时 ， 发现混凝土箱梁大面积开裂， 最 大裂缝宽度达 1 6 m m， 最长达 1 4 0 G i l l ， 而且横隔板 也 出现 了大量 的裂缝 。浙 江省交 通有关 部 门对 全省 二十 世纪 8 0年代 以来修 建 的混凝 土箱 梁 桥进 行 普 查发现， 这类桥基本上均有不同程度的裂缝 。 设计理论和方法的缺陷、 计算方法、 预应力损伤 和混凝土徐变等都是产生裂缝的主要原因。其中计 算 方法也 是重 要原 因之 一 ， 桥梁 施 工 仿真 多 采 用平 面杆系单元计算 ， 忽略特殊部位的应力复杂性 ， 特别 是 0 # 块 由于其 特殊 的结构 形 状 和边 界 条件 ， 决 定 了 应力状态为复杂 的三维应力 ， 不能采用平面粱理论 得到的应力状态来代替 ， 须采用空间 8结点等参单 元的三维材料非线性有限元开展 0 块混凝土应力 的精细化 仿 真 ， 把握 0 真实应 力状 态 。 本文在介绍弹塑性有 限元分析基础上 ， 运用体 杆 耦合有 限元模 型 模 拟 预应 力 钢 筋 ， 温度 模 式 分别 参 照 公 路钢 筋混凝 土及 预应 力混 凝 土 桥涵 设 计规 范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 和新西兰桥规 ， 开展大跨度预 应 力混 凝 土连续 箱梁 $ 2 4 9京 杭 运 河特 大 桥 主桥 0 块混凝土应力的精细化仿真分析， 结果表明 0 块在 顶 板 和腹 板 结交处 出现 开裂 。 1 弹 塑性有 限元分析 采 用增量 有 限元 u 开 展 0 块 混凝 土 应 力 的精 细化仿真分析。即基于小变形假设 ， 把应变增量分 成弹性和塑性两部分， 采用增量理论开展分析。在 增 量步 内 ， 应 变 一位移 几 何运 动方 程 和平衡 方 程相 同于线性问题 ， 不需要作任何变动 。屈服准采用 H T - C四参 数准则 和非关联 的流 动法则 。在 高强混凝 土脆弹性开裂分析中， 采用低抗拉弹塑性模型和弥 散式 裂缝模 型 。 1 1低抗拉 弹 塑性 模型 该模型认为当应力状态满足下列准则之一时， 材料便 进入非 线性工 作状态 F l = f 一 = 0 ( 1 ) F 2 =a l + 一 K= 0 ( 2 ) 或F 2 ：I Jr I 一( C f Or )= 0 ( 3 ) 式 ( 1 ) 是 最 大 正应 力 准 则 ， o r ( i =1 ， 2 ， 3 ) 为 主 应力， 为抗拉强度 ， 当 o r =0时， 材料为不抗拉模 型 ， 当 应 力 满 足 该 式 时 ， 材 料 被 拉 裂 。 式 ( 2 ) 是 D r u e k e r P r a g e r 准则 ， 和 是和材料内摩擦角 和 凝聚力 C有 关 的参 数 ， 当应 力 满足 该 式 时 ， 材 料 产 生屈服流动 ； 式( 3 ) 是 Mo h r C o u l o m b准则 。 1 2弥散 式 裂缝 模 型 弥 散式 裂缝 模 型假 定开 裂 混凝 土是 连续 的 ， 并 认为某一单元的应力超过了开裂的应力 ， 则整个单 元 开裂 。同时他还 假定在 垂直 于引起开裂 的拉应力 方 向的裂缝 是分布 于整个单 元 内部 的 、 微小 的 、 彼此 平行的且 “ 连续” 的。开裂后 ， 材料的主轴沿着裂缝 方向成为各向异性体。 1 3预 应 力混凝 土有 限元模 型 采用体一 杆组合单元模型 引 作为预应力混凝土 模 型 ， 根 据有限元 法分 片插值 的基 本思想 ， 该模 型位 移模式仍采用均质材料单元 的位移模式； 模型主要 分析 预应力 钢筋混 凝 土结 构 的 整体力 学 行 为 ， 因此 可以将钢筋混凝土体元 内预应力 筋作为空间杆单 元 ， 预应力筋和普通钢筋混凝土的相互作用通过杆 单元的节点力综合表现。 2工程实例分析 2 1 有 限元仿 真建模 方法 $ 2 4 9京杭运河特大桥主桥结构布置见图 1 。竖 向预应力采用 3 2 m m的精轧螺纹粗钢筋， 控制吨位 为 5 4 0 k N， 其标准不小于 7 5 0 M P a ， 弹性模量为 2 0 X 1 0 MP a 。为实现精细化仿真 ， 0 块真实应力状态 有 限元单 元 网格 见 图 2 ， 共 剖 分单 元 8 5 4 7 7个 。0 块荷载采用变结构的仿真分析程序作整体计算 ， 即 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 柯敏勇 ， 等 ： 大跨度预应力 混凝 土连续 箱粱 O 块 抗裂分析 3 计 算 出 l 块 截 面在 各荷 载 组 合作 用 下 的 弯 矩 、 轴 力 和 剪力 ， 再将 其 转化 为空 间分 析 模 型 边 界 面 上 的 分 布 面力 和节 点集 中力 ， 然 后 再按 空 间有 限 元 分 析 O 块 的应力 状 况 。温度 模 式 分 别 参 照 公 路 钢 筋 混凝 土及 预应 力 混凝 土桥 涵设 计 规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 和 新西 兰桥 规 。在 精细 仿 真分 析 中 ， 预应 力 混 凝 土 采 用 体杆 耦 合 有 限元 模 型 ， 因预应 力 高 强 精 扎 螺 ( a) 纵剖 面 2 300，2 ( b ) 横剖 面 图 1主桥 结构 布 置 Fi g ur e 1 S t r u ct u r a l a r r a n g e me n t ( a) 0 块 j 维消隐 ( 1 ) 有限元剖分 图 2 有 限元离散 的单元网格 Fi g ur e 2 El e me nt m e s h F EM M o d e l l i n g 纹 钢 处于线 弹性 状态 。设定 高强 混凝 土设 计抗拉 强 度为 2 5 0 MP a ( 规范 取值 ) 。 2 2仿 真 计算 工 况 竖 向预加 应 力 和温 度梯 度荷 载对箱 梁肋 板 内侧 的主 拉应力 都 有较 大 影 响 ， 也 是 导 致 箱 梁肋 板 开 裂 的两个 主要 原 因 。因此 ， 计 算工 况 分 别采 用如 下 2种 工况 ： 设 计 工 况 ( 含 2 0 0 4年 规 范 温 度 模 式 ) 和 设计 工况 + 实 测温度模式 +竖 向预 应力损失 1 0 0 。 2 3仿 真 结果 与分析 在设 计工 况 情 况 下 ， 采 用 公 路 钢 筋 混 凝 土及 预应 力混 凝 土桥 涵设计 规 范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 温 度 模式 计算 的应 力 分 布见 图 3 、 图 4 ， 计 算 发 现 混凝 土 应力 均在 规范 允许 范 围 内 ， 从 结构 受 力 角 度 具有 良 好 的抗裂 性能 。在设 计 工 况 ， 采用 新 西 兰 桥 规 的温 度模 式 和竖 向 预 应 力 损 失 1 0 0 ， 混 凝 土 应 力 分 布 见 图 5图 7 ， 箱梁 腹板 顶部 加腋 处 出现较 大 的主拉 l_ “ 船 ； 蝌 ； - 一 f a 1第一主应力 ( b )第 主应力 图 3 0 块 箱 梁 应 力 ( 工 况 1 ) F i g u r e 3 S t r e s s Di s t r i b ut i o n f o r 0# Bl o c k Bo x Be a m wi t h 1 # c 0 n di t i o n _ 搿 。 ： 0 - 蔬 -h 圳 ( a )第 一主应力 ( b)第 主应力 图 4腹 板 应 力 ( j 二 况 1 ) Fi g u r e 4 S t r e s s Di s t r i bu t i o n f o r W e b wi t h 1# c o n d i t i o n 酉 瓣 ： I 郝 = 将 ( a1第一 主应力 _ + 。 ( b)第 主应 力 图 5 O 块 箱 梁 应 力 ( 工 况 2) Fi g ur e 5 St r e s s Di s t r i bu t i o n f o r O# Bl o c k Bo x Be a m wi t h 2# c 0 n di t i o n ( 下转 第 1 7页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 邓友生 ， 等 ： 南京水碧 桥的静力荷载试验 1 7 ( 上接 第 3页 ) _ ， 一 ( a )第主应力 ( I 1 )第 主应 力 图 6 O 块 箱梁腹板应力 ( 【况 2 ) Fi g ur e 6 St r e s s Di s t r i b ut i o n f o r 0#Bl o c k Bo x Be a m wi t h 2# ( 。 ( ) n di t i ( ) n 0 (a1腹板开裂分布 ( b1 开 裂部位局部放大 图 7 O # 块 箱 梁 腹 板 应 力 ( 工况 2) Fi g ur e 7 St r e s s di s t r i bu t i o n f o r O# Bl o c k Bo x Be a m we b wi t h 2# c 0 n ( t i t i 0 n 应 力 ， 导致该 处混 凝 土开 裂 。因 此 ， 在施 工 控制 中要 加 强竖 向预应 力 和温 度 的监 测 。 3 结 论 本 文采 用增 量 型 弹塑 性 有 限模 型 ， 低 抗 拉强 度 准则 和弥散 式 裂缝 模 型 ， 运 用 体 杆 耦 合 有 限元 模 型模 拟 预应力 钢 筋建 立 的 非线 形 模 型 ， 建立 精 细化 仿 真分 析模 型 ， 开 展 竖 向预 应 力 未 损 失 和 全 部损 失 工况 下 的混凝 土 抗 裂 分 析 。结 合 算 例 表 明 ， 该 模 型 可 以有效 开 展 大 跨 度 预 应 力 混 凝 土 连 续 箱 梁 0 块 混凝 土 的开裂 计算 。 高效竖 向预应力是 防止大跨度预应力混凝 土 连续 箱梁 开裂 的有 效手 段 ， 因此 在施 工过 程 中 ， 要 确保 预应 力 的有 效性 。 7 8 9 1 O 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 参考 文献 詹建辉 ， 陈卉 特大跨度连续刚构主 梁下挠及箱 梁裂缝成 因 分析 J 中外公路 ， 2 0 0 5 ， ( 2 )： 5 65 8 李宏江 ， 李万恒 ， 程寿山 ， 等 体外预应力 在某连续 刚构桥加 固 中的应用及其效果分析 J ， 铁道 标准设计 ， 2 0 0 4， ( I 2) ： 4 8 51 杨 志 平 ， 朱 桂 新 ， 李卫 预 应 力 混 凝 土 连 续 刚 构 桥 挠 度 长 期 观测 J 公路 ， 2 0 0 4， ( 8 ) ： 2 8 52 8 9 韩旭 东 东 明 黄河 公路 大 桥维 修 加 固 J 华 东公 路 ， 2 0 0 5， ( 3 ) 陆中元 ， 李建华 ， 朱念 清 广东南 海金沙 大桥 的维修加 固 J 铁道建筑 ， 2 0 0 4， ( 1 0 ) ： 2 9 3 1 马 健 三 门 峡黄 河公 路 大桥 的 主桥 加 固 J 公 路 2 0 0 4， ( 6 ) ： 6 26 4 上 百条 裂 缝 危 及 洛 溪 大桥 N 羊城 晚报 ， 2 0 0 51 02 3 ( A 0 5 ) 何任远 ， 阳春龙 ， 夏咏 明 体外预应 力在 江 阴大桥北 引桥加 固 中的应 用 J 桥梁建设 ， 2 0 0 6， ( 增 刊 2 ) ： 1 8 31 8 6 夏 涛 我省大型桥 梁若干典型病 害处治技 术探讨 J 湖南 交通科技 2 0 0 3 ， 2 9 ( 3 ) ： 5 65 9 Ame r i c a n As s o c i a t i o n o f S t a t e Hig h wa y a n d Tr a n s p o r t a t i o n Off i c i a l s A A S HT O L RF D B r i d g e D e s i g n S p e c i f i c a t i o n s M Wa s h i n g t o n，DC， 1 9 9 8 卓 家寿 弹塑性力学 中的广义变 分原理 M 北京 ： 中国水利 水 电 出版 社 ， 1 9 8 9 柯敏勇 变结 构力学建模 及桥梁施工控 制研究 D 南 京： 河 海大学 ， 2 0 0 7 卓 家寿 ， 邵 国建 ， 武清玺 ， 等 力 学建模 导 论 M 北京 ： 科 学 出版社 ， 2 0 0 7 谢峻 ， 王 国亮 ，郑 晓 华 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 长 期 下 挠问题 的研究现状 J 公路交通科技 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 4 7 5 0 叶小强 预应力混凝土连续梁桥施 工时变仿 真分析与施 工监 控的研究 D 南京 ： 南京水利科学研究院 ， 2 0 0 5 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m