新型小箱梁鉸縫損傷前后荷載橫向分布規(guī)律研究

周建庭,張華彬,陳 磊，張媛媛

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶，400074)

0 引 言

近十幾年來，高速公路的建設(shè)迅速發(fā)展，我國在山區(qū)修建的高速公路里程越來越長，這在云南地區(qū)體現(xiàn)的非常明顯。由于云貴高原特殊的地形條件，橋梁在云南高速公路總里程中的比例很大，在廣泛修建高速公路的帶動下，橋梁數(shù)量也越來越多，全省高速公路橋梁數(shù)量超過6 000座。小箱梁橋由于具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、建筑高度低和施工快捷等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于20～50 m的跨徑范圍，尤其被廣泛應(yīng)用于云南高原山區(qū)、丘陵等大建設(shè)環(huán)境下[1]。

對于裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，小箱梁通過翼板間的接縫以及橋面構(gòu)造使彼此間共同受力[2]。但預(yù)制混凝土梁橋往往會由于施工方法、養(yǎng)護(hù)管理、車輛超限等原因產(chǎn)生一系列病害。從已運營的該類橋梁現(xiàn)狀看，在濕接縫處出現(xiàn)縱向裂縫為常見現(xiàn)象之一[3]。裂縫的出現(xiàn)不僅會導(dǎo)致橫向剛度減小、橫向聯(lián)系減弱，還會引發(fā)鋼筋銹蝕等耐久性問題[4]，甚至導(dǎo)致預(yù)制混凝土梁橋橫向整體受到破壞，形成單梁受力的不利情況[5]。因此，研究加強(qiáng)小箱梁橫向聯(lián)系、保證小箱梁整體受力性能的構(gòu)造措施和關(guān)鍵技術(shù)，是提高橋梁耐久性和安全性的重要舉措。

評價橋梁狀態(tài)的重要手段之一是測試橋梁荷載的橫向分布狀態(tài)[6]。用測試橫向分布狀態(tài)的方法對橋梁運營狀態(tài)進(jìn)行評價，具有簡潔、實用、可靠等優(yōu)點，具有較高的推廣價值[7]。

筆者將結(jié)合小箱梁有限元模型的仿真試驗以及有限元模擬，對比其濕接縫損傷前后的撓度值，將其與實測結(jié)果進(jìn)行比較，為橋梁狀態(tài)的評估作指導(dǎo)，以保證小箱梁橋的長期性能穩(wěn)定和服役安全。

1 新型橫隔板構(gòu)造

小箱梁橋橫向彎矩和橫向剪力的分布和傳遞路徑?jīng)Q定了小箱梁所分擔(dān)的內(nèi)力大小。小箱梁橋荷載橫向分布特征與橋梁的橫向?qū)挾群托∠淞旱慕孛娉叽缬嘘P(guān)，而跨中、支點處的橫隔板更是保持截面形狀、增強(qiáng)橫向剛度不可或缺的重要構(gòu)件，同時其對活荷載在各片小箱梁上的分配起著至關(guān)重要的作用。為了探討不同橫隔板構(gòu)造對小箱梁橋橫向整體性能的影響，筆者提出了一種新型的橫隔板構(gòu)造形式，并進(jìn)行試驗、理論和數(shù)值模擬的對比研究，以期探尋可以提高小箱梁橫向整體性的關(guān)鍵技術(shù)。

新型小箱梁橋橫隔板構(gòu)造與傳統(tǒng)構(gòu)造的區(qū)別在于：新型橫隔板構(gòu)造在小箱梁橋的跨中與支點處橫向貫通各片梁，并且設(shè)置橫向連續(xù)的受力鋼筋；而傳統(tǒng)的橫隔板構(gòu)造除了端橫隔板采用橫向貫通的方式設(shè)置，在跨間的橫隔板通常只在小箱梁之間設(shè)置，在箱室內(nèi)是非連續(xù)的，即僅僅連接相鄰兩個小箱梁的腹板。兩種構(gòu)造形式如圖1。

圖1 兩種橫隔板構(gòu)造示意Fig. 1 Schematic diagram of two types of diaphragms

新型構(gòu)造橫隔板的橫向鋼筋亦貫通各片主梁，與混凝土一起形成橫向一片整梁。在預(yù)制過程中，跨間橫隔板在箱室內(nèi)貫通，并且橫隔板的兩端預(yù)留橫向貫通鋼筋，如圖2。

圖2 新型隔板鋼筋布置構(gòu)造(單位：cm)Fig. 2 Layout structure of new diaphragm reinforcement

2 試驗過程

2.1 試驗梁模型

為了使模型更具有代表性、更好地與實際工程比對，筆者在前期大量分析和計算基礎(chǔ)上，選定西石高速公路的典型橋跨進(jìn)行試驗設(shè)計。實橋原型為30 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制小箱梁，采用4片預(yù)制小箱梁，每片箱梁結(jié)構(gòu)寬2.45 m，頂梁厚0.18 m，腹梁厚度從支點處0.28 m到跨中處0.18 m變化，梁高1.7 m。綜合考慮實驗場地、實驗周期等因素，按照1∶5的比例尺擬定試驗梁尺寸、試件的截面尺寸和橫隔板尺寸。決定采用橫橋向用寬度為0.51 m的小箱梁通過現(xiàn)澆0.14 m的濕接縫拼接而成(橫斷面采用貫穿橫隔板形式)，橋梁長度6 m，斷面結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 新型小箱梁橫斷面(單位：cm)Fig. 3 New small box girder cross-section

2.2 測點布置

為了有效測試試件的撓度、應(yīng)變，需要在試件的合適位置布設(shè)傳感器。根據(jù)試驗的研究目的，利用結(jié)構(gòu)對稱性對小箱梁撓度測量的千分表進(jìn)行布置，以期用較少的測點取得盡可能多的試驗數(shù)據(jù)，分別在L/8截面、L/2截面、5L/8截面和3L/4截面布置千分表。千分表布置位置如圖4。

為便于描述和收集處理數(shù)據(jù)，支點截面、L/8截面、L/2截面、5L/8截面和3L/4截面分別用編號A～D表示，如A1～A4表示A截面(L/8截面)上的千分表標(biāo)號。

圖4 千分表布置位置示意(單位：cm)Fig. 4 Schematic diagram of the position of the dial gauge

2.3 鉸縫損傷處理辦法

為了模擬實際工程中小箱梁橋鉸縫縱向不同程度的開裂，試驗中采用人為切割的方法將鉸縫切割成不同長度的縫，以此模擬鉸縫的開裂現(xiàn)象。采用切割機(jī)對小箱梁翼板鉸縫進(jìn)行切割，切縫寬度保持為0.5 cm；切割深度為7 cm，以形成貫穿頂梁的鉸縫受損裂縫；切割長度分別為0.1L、0.3L和0.5L。切割時，先從1#梁和2#梁之間的鉸縫開始切割，切割至0.1L時，開始加載試驗；加載完成后，繼續(xù)對1#梁和2#梁之間的鉸縫進(jìn)行切割直至切割長度達(dá)0.3L，然后在此開始加載試驗；接下來用相同的步驟完成切割長度為0.3L時的試驗。待完成1#梁和2#梁鉸縫的切割和加載測試后，繼續(xù)對2#梁和3#梁之間的鉸縫進(jìn)行切割加載，步驟保持相同。試驗切割后的鉸縫損傷效果如圖5。

圖5 小箱梁鉸縫損傷底面Fig. 5 Bottom of the hinge joint damage of the small box girder

2.4 加載方案與試驗工況

加載位置設(shè)置于縱向跨中，橫向為每片梁分別加載。每個加載位置處均從0～3 t按照每級0.5 t增加加載噸位。因為前期加載屬于彈性范圍內(nèi)的小噸位加載，為了便于操作以及可重復(fù)性地進(jìn)行多次加載試驗，采用普通手搖千斤頂外接高精度傳感器(可精確到0.1 kN)的形式進(jìn)行人工加載。

試驗為小箱梁在鉸縫發(fā)生不同程度破壞后的偏載試驗,一共有7個試驗工況，具體情況如表1。

表1 偏載實驗工況Table 1 Partial loading experiment condition

注：每一工況分別在1#～4#梁跨中進(jìn)行加載，加載噸位從0～3 t，按照0.5 t逐級遞增。

2.5 荷載-撓度關(guān)系

為分析貫穿橫隔板形式的小箱梁整體力學(xué)性能和傳力機(jī)理的影響，通過測量在集中荷載作用下小箱梁橋的空間應(yīng)力及撓度分布來探討該荷載下的橫向分布規(guī)律和特性[8-10]。

研究小箱梁橋在不同加載工況下的撓度-荷載關(guān)系，可以得到小箱梁橫向整體剛度的分布規(guī)律和變化情況。筆者以1#、2#梁的跨中撓度-荷載關(guān)系(圖6～圖7)為例，進(jìn)行具體的分析。

圖6 1#梁荷載-撓度關(guān)系曲線Fig. 6 Load-deflection relationship curve of 1# beam

圖7 2#梁荷載-撓度關(guān)系曲線Fig. 7 Load-deflection relationship curve of 2# beam

由圖6、圖7可以看出：1#號梁跨中位置的荷載-撓度曲線斜率大致從A1～A7工況呈不斷增大的趨勢，表明在鉸縫的破壞程度不斷加大時，小箱梁的剛度逐漸降低；同理，2#梁的變化規(guī)律相似，從工況A1～A7，小箱梁剛度逐漸降低；對比A1～A7工況，可以發(fā)現(xiàn)1#梁荷載-撓度曲線明顯更大，說明邊梁受力遠(yuǎn)比中梁不利，與實際情況相符。

3 有限元分析

實體有限元分析是一種離散化數(shù)值計算方法，是矩陣方法在彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展，其基本原理是把一個由無限個質(zhì)點組成而且包含有限個自由度的個體分解成由有限個小單元體組成的集合，單元間以節(jié)點形式相連接。每一個單元的節(jié)點荷載及物質(zhì)特性、邊界條件確定之后，通過位移、節(jié)點和節(jié)點力間的關(guān)系式算出每個單元的剛度矩陣。把若干個單元的剛度矩陣組合起來構(gòu)成構(gòu)件的總體剛度矩陣，并以數(shù)學(xué)的形式表示出來，其結(jié)果取決于分析中做的基本假設(shè)及單元數(shù)量類型[11]。

3.1 實體有限元建模

筆者采用Midas/FEA軟件建立貫穿橫隔板形式的小箱梁橋的空間有限元模型，將不同工況下的結(jié)構(gòu)劃分成不同網(wǎng)格組，采用六面體網(wǎng)格主導(dǎo)，如圖8。

圖8 小箱梁實體有限元模型網(wǎng)格剖分Fig. 8 Mesh generation of solid finite element model of small box girder

3.2 分析工況

按照小箱梁模型試驗的尺寸建立空間分析模型，研究在不同鉸縫損傷狀態(tài)下，荷載在各個小箱梁之間的傳力分配方式以及受力特征。根據(jù)鉸縫破壞程度的不同，建立不同的有限元模型[12-13]，分析工況包括B1～B10，見表2。

表2 有限元模擬工況Table 2 Finite element simulation condition

注：模擬縮小化后的小箱梁橋，橫隔板厚度為14 cm，模擬加載荷載為30 kN，加載位置為跨中截面。

以工況B1為例，在1#梁跨中加載大小為30 kN、方向向下的集中力，1#梁跨中截面頂面SXX方向產(chǎn)生最大正應(yīng)力數(shù)值為2.697 MPa，跨中截面頂面正應(yīng)力沿1#梁到4#梁逐漸減小到0.037 9 MPa，截面頂面SXX方向正應(yīng)力從跨中到支點方向逐漸減小。

3.3 橫向分布對比

當(dāng)荷載分別作用于1#～4#梁跨中截面時，通過提取各梁跨中的豎向撓度數(shù)據(jù)，整理得到不同工況下跨中截面各梁荷載橫向分布，如表3。

表3 不同工況下各梁跨中截面荷載橫向分布系數(shù)對比Table 3 Comparison coefficient of transverse distribution coefficient of the midspan cross-section loads of beams in different working conditions

3.4 結(jié)果分析

對小箱梁橋各梁的荷載橫向分布計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得到：隨著加載荷載由1#梁向2#梁移動，加載梁的豎向撓度明顯減小，表明2#、3#中梁相比邊梁，受力更均勻合理；當(dāng)荷載作用于2#梁時，產(chǎn)生的最大撓度值位于1#梁，表明在橫向4片梁的小箱梁橋中，荷載的橫向分布更接近于剛性橫梁法，即橫隔板的剛度較大，荷載的橫向傳遞主要由橫隔板決定；隨著鉸縫的破壞程度加重，各梁的荷載橫向分布越來越不均勻，表明鉸縫的破壞對荷載的橫向傳遞有不利的影響。

4 試驗與數(shù)值模擬對比分析

在實體有限元分析和試驗數(shù)據(jù)整理的基礎(chǔ)上，將FEA模型和室內(nèi)試驗中相同的工況作進(jìn)一步對比，研究荷載在各梁上的傳力和分配方式，從而進(jìn)一步對比論證鉸縫損傷對貫穿橫隔板形式小箱梁橋受力性能的影響。試驗與數(shù)值模擬對比工況如表4。

表4 試驗與數(shù)值模擬對比工況Table 4 Comparison of test and numerical simulation

對表4中9種工況，依次對1#～4#梁施加30 kN的力，進(jìn)行有限元模擬分析，荷載作用于1#、2#梁跨中時的荷載橫向分布如圖9、圖10。

圖9 1#梁上加載時不同工況下荷載橫向分布系數(shù)對比Fig. 9 Comparison of load transverse distribution of 1# beam with loading under different working conditions

圖10 2#梁上加載時不同工況下荷載橫向分布系數(shù)對比Fig. 10 Comparison of load transverse distribution coefficient of 2# beam with loading under different working conditions

分析圖9、圖10可知：貫穿橫隔板形式的小箱梁試驗和模型計算得到的荷載橫向分布數(shù)據(jù)較為接近，表明數(shù)據(jù)模擬合理有效；在無損狀態(tài)下加載點在2#和3#梁時，其荷載分布曲線均較1#和4#梁片邊梁平緩，表明中梁受力更為均勻；在1#鉸縫破壞0.5L后，新型橫隔板構(gòu)造在鉸縫破壞后，1#和4#梁荷載橫向分布仍然較為對稱，表明其對于鉸縫的破壞不太敏感，能在一定病害的情況下保持正常工作。

5 結(jié) 論

1)提出了一種新型的橫隔板構(gòu)造形式，此構(gòu)造形式與傳統(tǒng)橫隔板的區(qū)別在于：新型橫隔板構(gòu)造在小箱梁橋的跨中與支點處橫向貫通各片梁，并且設(shè)置橫向連續(xù)的受力鋼筋；而傳統(tǒng)的橫隔板構(gòu)造除了端橫隔板采用橫向貫通的方式設(shè)置，在跨間的橫隔板通常只在小箱梁之間設(shè)置，在箱室內(nèi)是非連續(xù)的，即僅僅連接相鄰兩個小箱梁的腹板。

2)新型構(gòu)造小箱梁荷載的橫向分布明顯比傳統(tǒng)構(gòu)造小箱梁更均勻，說明新型橫隔板構(gòu)造不僅可以提供更高的橫向剛度，而且比傳統(tǒng)橫隔板構(gòu)造對鉸縫病害后果具有更強(qiáng)的抵抗性。

3)鉸縫損傷對小箱梁橋的荷載橫向分布有較大的影響，尤其同時發(fā)生多條鉸縫損傷以后，此種影響更明顯。

4)對于采取新型橫隔板構(gòu)造的小箱梁橋，在1#邊梁跨中加載，其整體應(yīng)力數(shù)值比傳統(tǒng)構(gòu)造小箱梁小，且在相同的荷載工況下，新型構(gòu)造小箱梁的應(yīng)力變化更為平緩，說明其應(yīng)力分布更均勻，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能更好。

5)對比兩種橫隔板構(gòu)造，新型構(gòu)造在3條鉸縫均出現(xiàn)損傷后，仍然保持著和傳統(tǒng)構(gòu)造比較接近的應(yīng)力分布，說明采用新型橫隔板的小箱梁擁有更良好的傳力特性。