基于MIDAS/Civil的纖維混凝土對(duì)橋梁下?lián)嫌绊懙挠邢拊治?/h1>
2015-01-08 09:22:46劉博
城市道橋與防洪 2015年7期
劉 博
（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510006）
0 引言
最近20年，橋梁在理論創(chuàng)新和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的促進(jìn)下飛速發(fā)展，橋梁建設(shè)向著更大、更長的方向快速進(jìn)步，但同時(shí)，一些橋梁的病害也逐漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋普遍存在主梁梁體開裂和下?lián)线^大的問題[1]。下?lián)线^大不僅會(huì)破壞橋梁的美觀，降低行車的舒適性，使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大幅增加，而且在嚴(yán)重的情況下還會(huì)改變橋梁的受力體系，使內(nèi)力重分配，造成橋梁運(yùn)營和結(jié)構(gòu)安全度的降低。結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫，下?lián)献兓臋C(jī)理將變得異常復(fù)雜，下?lián)犀F(xiàn)象也將繼續(xù)惡化[2]。1996年9月，帕勞共和國的Koror-Babeldaob剛架橋在通車不久后主跨中央產(chǎn)生較大撓度，雖經(jīng)經(jīng)過修補(bǔ)，但仍然發(fā)生倒塌事故，造成巨大損失[3，4]。
預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨度不斷增大，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)材料提出了更高要求。國內(nèi)外高性能混凝土的研究取得了長足進(jìn)步，其應(yīng)用變得日益廣泛，在橋梁中的使用也使得橋梁的大跨度趨勢(shì)成為了可能。研究表明，與普通混凝土相比,纖維混凝土在抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐久性、抗疲勞性等方面具有優(yōu)異的特性,在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出的優(yōu)異性能使其具有更廣闊的應(yīng)用前景[5，6]。由于纖維混凝土優(yōu)良的抗裂性能，使用纖維混凝土防止大跨徑梁橋梁體的開裂是今后建設(shè)大跨混凝土橋梁的必然選擇。目前纖維混凝土主要摻入的是鋼纖維和聚丙烯腈纖維。由于纖維混凝土與普通混凝土相比其力學(xué)性能有所改變，對(duì)于大跨度橋梁出現(xiàn)的成橋后跨中下?lián)锨闆r，纖維混凝土也能在一定程度上產(chǎn)生影響。
本文以在建箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過MIDAS/Civil計(jì)算軟件的模擬計(jì)算，將橋梁使用鋼纖維混凝土與使用聚丙烯腈纖維混凝土在成橋后的跨中撓度進(jìn)行對(duì)比，并且分析纖維混凝土使用在橋梁的不同部位以及纖維混凝土中纖維的不同體積摻量對(duì)橋梁跨中撓度的影響。研究最后得到纖維混凝土箱梁橋成橋后跨中撓度的規(guī)律，同時(shí)也可以指導(dǎo)同類大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過使用纖維混凝土來降低成橋時(shí)跨中撓度的方法，從而保證橋梁在施工以及竣工后的結(jié)構(gòu)安全性和行車舒適性，使橋梁在正常使用狀態(tài)下完成預(yù)定功能。
1 纖維混凝土基本性能
目前國內(nèi)外對(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理的研究主要有三種基本理論：一種是基于復(fù)合材料力學(xué)的混合理論，第二種是基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的纖維間距理論，第三種是截面效應(yīng)理論[7]。
復(fù)合材料力學(xué)理論將摻有鋼纖維的混凝土視為一種纖維強(qiáng)化體系，使用混合原理來考慮鋼纖維混凝土應(yīng)力、強(qiáng)度、彈模等，同時(shí)引入纖維方向系數(shù)（η0）和纖維長度系數(shù)（ηl），并要考慮拉伸應(yīng)力方向上有效纖維體積率的比例、非連續(xù)性短纖維應(yīng)力沿纖維長度的非均勻分布這兩種因素。
鋼纖維混凝土開裂前處于彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)力為：
式中：σ為鋼纖維混凝土的應(yīng)力；σf為鋼纖維的應(yīng)力；σm為混凝土的應(yīng)力；ρf為鋼纖維體積率；ρm為混凝土體積率，ρm=1-ρf。
由于鋼纖維與混凝土變形相同，由式（1）得：
因?yàn)殇摾w維與混凝土具有相同的應(yīng)變，即εc=εm=εf，則上式變?yōu)椋?/p>
式中：Ec、Em、Ef分別為復(fù)合材料、混凝土和鋼纖維的彈性模量。
某橋主梁采用混凝土的強(qiáng)度為C60，彈性模量為3.6×104MPa，鋼纖維的彈性模量為2.0×105MPa，聚丙烯腈纖維的彈性模量為2.0×104MPa，代入以上公式，分別可以計(jì)算出鋼纖維以及聚丙烯腈纖維的0～2%體積率下混凝土的彈性模量Ec（見表1）。
表1 體積率對(duì)混凝土彈性模量的影響(單位：MPa)
2 工程概況
某橋由左右兩幅獨(dú)立的橋梁組成。主跨跨徑為109 m+168 m+109 m。橋梁結(jié)構(gòu)型式為連續(xù)梁橋，其中上部結(jié)構(gòu)為單箱單室混凝土梁。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，包括縱向預(yù)應(yīng)力、橫向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力。下部結(jié)構(gòu)主墩采用單項(xiàng)雙室空心墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注群樁，采用嵌巖樁設(shè)計(jì)。橋面鋪裝為9 cm厚瀝青混凝土，設(shè)置2%的雙向橫坡。橋面全寬39.5 m，公路等級(jí)為城市主干路。荷載標(biāo)準(zhǔn)為：公路-I級(jí)。預(yù)應(yīng)力混凝土單幅箱梁頂板寬19.3 m，底板寬10.1 m；箱梁根部高10.5 m，腹板厚度1.2 m，頂板厚0.5 m；底板厚1.2 m；跨中及支點(diǎn)梁高4.0 m，腹板厚0.5 m，頂板厚0.32 m，底板厚0.35 m。箱梁采用混凝土集料等級(jí)為C60,墩身、承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。
施工順序中首先澆筑主墩樁基、承臺(tái)、墩身。立模0#及1#梁段的同時(shí)形成臨時(shí)固結(jié)約束和安放邊墩支座。隨后拼裝機(jī)移動(dòng)掛籃，依次澆筑2#～25#梁段。滿足張拉條件后，依次對(duì)稱張拉2#～25#梁段鋼束。臨時(shí)T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)。澆筑并完成邊跨合攏以及預(yù)應(yīng)力束張拉之后，拆除主墩處的臨時(shí)約束。然后澆筑跨中合攏段，進(jìn)行跨中預(yù)應(yīng)力束的張拉。最后，完成橋面鋪裝、欄桿、排水設(shè)施等附屬工程，成橋。
3 有限元數(shù)值模擬分析
采用MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)該大橋成橋后的下?lián)锨闆r進(jìn)行模擬。計(jì)算模型（見圖1）將368 m長的某橋簡(jiǎn)化成空間干系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，離散成128個(gè)節(jié)點(diǎn)、127個(gè)單元。懸澆施工過程中各梁段采用空間梁?jiǎn)卧M。箱梁主要有8個(gè)控制截面，其余采用變截面。模型考慮的邊界條件為：梁段橋頭的伸縮縫設(shè)置活動(dòng)鉸支座，固定其Y和Z方向的位移；主墩處13#主墩支座固定其Y和Z方向的位移，14#主墩支座設(shè)置為固結(jié)，固定X、Y、Z三個(gè)方向上的位移。自重和預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用由程序自行處理。
圖1 MIDAS/Civil計(jì)算模型
4 有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果
4.1 控制纖維體積摻量的分析結(jié)果
為考慮鋼纖維以及聚丙烯腈纖維體積率對(duì)橋梁變形的影響，分別將兩者體積摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纖維混凝土參數(shù)設(shè)置入有限元數(shù)值模擬軟件。具體情況見圖2、圖3、表2。
圖2 鋼纖維體積率對(duì)撓度的影響
圖3 聚丙烯腈纖維體積率對(duì)撓度的影響
表2 纖維體積率對(duì)跨中撓度的影響(單位：mm)
從圖中可以看出，加入鋼纖維后橋梁的下?lián)献冃斡袦p小的趨勢(shì)，在中跨跨中位置表現(xiàn)得尤為明顯。鋼纖維體積率為2%時(shí)，全橋下?lián)献冃巫畲罂蓽p小6.7 mm，但加入聚丙烯腈后橋梁跨中下?lián)嫌兴黾樱译S纖維體積率的增大而不斷增大。當(dāng)聚丙烯腈體積率為2%時(shí)，全橋下?lián)献冃温晕⒃黾恿?.8 mm。這是因?yàn)槔w維混凝土中纖維體積率的不斷增大使混凝土的彈性模量從無纖維的混凝土向纖維本身的彈性模量靠近。對(duì)于材料的彈性模量，無纖維混凝土的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼纖維，略大于聚丙烯腈纖維，故鋼纖維體積率的增加能不斷提升纖維混凝土的剛度，而聚丙烯腈纖維的作用正好相反，體積率的提升增加了混凝土材料的柔韌性。由于聚丙烯腈纖維與C60混凝土的彈性模量相差不大，有限元模擬中聚丙烯腈纖維混凝土橋梁的跨中下?lián)吓c無纖維時(shí)相比增大不足1 mm，下?lián)下栽龅那闆r容易通過對(duì)預(yù)應(yīng)力束調(diào)整的方法應(yīng)對(duì)。
4.2 局部梁段摻入纖維對(duì)撓度的影響
對(duì)纖維混凝土良好的材料抗裂性能的應(yīng)用有助于提高橋梁局部的抗裂能力。基于使用性能，考慮在局部不同長度梁段使用纖維的方法，不僅能改善結(jié)構(gòu)正常使用荷載下的性能，也能簡(jiǎn)化施工難度，控制纖維混凝土的使用量，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)纖維混凝土在整個(gè)連續(xù)箱梁中使用的部位不同，建立了3個(gè)不同的結(jié)構(gòu)模型方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。采用鋼纖維及聚丙烯腈纖維體積摻量為2%時(shí)的纖維混凝土數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。除纖維混凝土的使用節(jié)段范圍不用外，其余的包括恒載、預(yù)應(yīng)力荷載等參數(shù)保持不變。圖4為在不同箱梁段長度范圍內(nèi)摻入纖維的3個(gè)模型方案。
圖4 局部梁段摻入纖維方案
由圖5、圖6、表3可以看出，不同種類的纖維的摻入對(duì)各方案中主梁的撓度變形影響各不相同。對(duì)撓度的影響同樣在主跨跨中附近表現(xiàn)得更為明顯。對(duì)于鋼纖維，方案一中的跨中撓度減小了8.8 mm，方案二的跨中撓度減小了10.3 mm，方案三的跨中撓度減小了5.1 mm。使用聚丙烯混凝土的模型，方案一的跨中撓度減小了6.4 mm，方案二的跨中撓度增大了7.3 mm，方案三的跨中撓度增大了3.1 mm。從對(duì)跨中撓度的影響程度的角度來說，方案二的影響程度最大，方案一居中，方案三最小。從纖維使用量的角度來說，方案一最好，方案三為方案一的1.24倍，方案二為方案一的1.84倍。如果綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和使用性能指標(biāo)考慮，方案一為最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)力的方案。
圖5 鋼纖維不同方案對(duì)撓度的影響
圖6 聚丙烯腈纖維不同方案對(duì)撓度的影響
5 結(jié)論
（1）摻入鋼纖維或聚丙烯腈纖維的纖維混凝土對(duì)連續(xù)橋梁的下?lián)嫌幸欢ǖ挠绊?。其中，鋼纖維混凝土能明顯減少橋梁的下?lián)?，而聚丙烯腈混凝土可以使橋梁的下?lián)下杂性黾印?/p>
表3 局部纖維混凝土對(duì)跨中撓度的影響(單位：mm)
（2）纖維混凝土中纖維的摻量與連續(xù)橋梁撓度的變化值具有相關(guān)性。鋼纖維的體積率與撓度的減小值成正相關(guān)，聚丙烯腈纖維的體積率與撓度減小值成負(fù)相關(guān)。
（3）主梁中不同局部使用纖維混凝土對(duì)橋梁下?lián)系挠绊懖幌嗤?。分別從改善橋梁的使用性能和經(jīng)濟(jì)性能兩方面考慮，得出其中主梁支座處使用纖維混凝土的方案一最佳。
[1]李國平.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)及設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社,2004.
[2]呂志濤,潘鉆峰.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(1):71-76.
[3]陳開利.帕勞共和國的橋梁倒塌事故[J].國外公路，1998,18(3):31-33.
[4]王法武,石雪飛.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長期撓度控制研究[J].中外公路,2006,(8):72-76.
[5]王茹.鋼纖維混凝土的力學(xué)試驗(yàn)研究及其破壞過程的數(shù)值模擬[D].沈陽：東北大學(xué),2004.
[6]宋強(qiáng).聚丙烯腈纖維混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].福建建筑,2007,(5):50-5
[7]高丹盈,劉健秀.鋼纖維混凝土基本理論[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994.
猜你喜歡
一種光控制的可逆配位交聯(lián)聚丙烯腈的制備及其循環(huán)利用方法合成樹脂及塑料(2022年6期)2022-03-14 11:40:55 Spontaneous multivessel coronary artery spasm diagnosed with intravascular ultrasound imaging:A case reportWorld Journal of Clinical Cases(2020年16期)2020-09-16 13:35:08 聚丙烯腈/水滑石復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用合成樹脂及塑料(2020年5期)2020-01-17 02:26:50 早強(qiáng)鋼纖維水泥混凝土在S20道路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用上海公路(2017年2期)2017-03-12 06:23:31 聚丙烯腈／棉纖維素薄膜的制備與性能研究中國塑料(2016年5期)2016-04-16 05:25:38 環(huán)化聚丙烯腈/TiO2納米復(fù)合材料的制備及可見光催化活性河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年5期)2015-03-11 16:16:34 銹蝕后鋼纖維和鋼纖維混凝土的力學(xué)性能建筑材料學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-02-28 02:36:30 單向分布鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Ⅱ):制備及鋼纖維增強(qiáng)作用建筑材料學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-02-28 02:36:28 鋼纖維高強(qiáng)混凝土墻基于CONWEP的爆炸響應(yīng)西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年6期)2014-11-10 02:35:32 懸高測(cè)量在橋梁撓度快速檢測(cè)中的應(yīng)用吉林地質(zhì)(2014年4期)2014-03-11 16:47:56
劉 博
（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510006）
0 引言
最近20年，橋梁在理論創(chuàng)新和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的促進(jìn)下飛速發(fā)展，橋梁建設(shè)向著更大、更長的方向快速進(jìn)步，但同時(shí)，一些橋梁的病害也逐漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋普遍存在主梁梁體開裂和下?lián)线^大的問題[1]。下?lián)线^大不僅會(huì)破壞橋梁的美觀，降低行車的舒適性，使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大幅增加，而且在嚴(yán)重的情況下還會(huì)改變橋梁的受力體系，使內(nèi)力重分配，造成橋梁運(yùn)營和結(jié)構(gòu)安全度的降低。結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫，下?lián)献兓臋C(jī)理將變得異常復(fù)雜，下?lián)犀F(xiàn)象也將繼續(xù)惡化[2]。1996年9月，帕勞共和國的Koror-Babeldaob剛架橋在通車不久后主跨中央產(chǎn)生較大撓度，雖經(jīng)經(jīng)過修補(bǔ)，但仍然發(fā)生倒塌事故，造成巨大損失[3，4]。
預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨度不斷增大，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)材料提出了更高要求。國內(nèi)外高性能混凝土的研究取得了長足進(jìn)步，其應(yīng)用變得日益廣泛，在橋梁中的使用也使得橋梁的大跨度趨勢(shì)成為了可能。研究表明，與普通混凝土相比,纖維混凝土在抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐久性、抗疲勞性等方面具有優(yōu)異的特性,在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出的優(yōu)異性能使其具有更廣闊的應(yīng)用前景[5，6]。由于纖維混凝土優(yōu)良的抗裂性能，使用纖維混凝土防止大跨徑梁橋梁體的開裂是今后建設(shè)大跨混凝土橋梁的必然選擇。目前纖維混凝土主要摻入的是鋼纖維和聚丙烯腈纖維。由于纖維混凝土與普通混凝土相比其力學(xué)性能有所改變，對(duì)于大跨度橋梁出現(xiàn)的成橋后跨中下?lián)锨闆r，纖維混凝土也能在一定程度上產(chǎn)生影響。
本文以在建箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過MIDAS/Civil計(jì)算軟件的模擬計(jì)算，將橋梁使用鋼纖維混凝土與使用聚丙烯腈纖維混凝土在成橋后的跨中撓度進(jìn)行對(duì)比，并且分析纖維混凝土使用在橋梁的不同部位以及纖維混凝土中纖維的不同體積摻量對(duì)橋梁跨中撓度的影響。研究最后得到纖維混凝土箱梁橋成橋后跨中撓度的規(guī)律，同時(shí)也可以指導(dǎo)同類大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過使用纖維混凝土來降低成橋時(shí)跨中撓度的方法，從而保證橋梁在施工以及竣工后的結(jié)構(gòu)安全性和行車舒適性，使橋梁在正常使用狀態(tài)下完成預(yù)定功能。
1 纖維混凝土基本性能
目前國內(nèi)外對(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理的研究主要有三種基本理論：一種是基于復(fù)合材料力學(xué)的混合理論，第二種是基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的纖維間距理論，第三種是截面效應(yīng)理論[7]。
復(fù)合材料力學(xué)理論將摻有鋼纖維的混凝土視為一種纖維強(qiáng)化體系，使用混合原理來考慮鋼纖維混凝土應(yīng)力、強(qiáng)度、彈模等，同時(shí)引入纖維方向系數(shù)（η0）和纖維長度系數(shù)（ηl），并要考慮拉伸應(yīng)力方向上有效纖維體積率的比例、非連續(xù)性短纖維應(yīng)力沿纖維長度的非均勻分布這兩種因素。
鋼纖維混凝土開裂前處于彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)力為：
式中：σ為鋼纖維混凝土的應(yīng)力；σf為鋼纖維的應(yīng)力；σm為混凝土的應(yīng)力；ρf為鋼纖維體積率；ρm為混凝土體積率，ρm=1-ρf。
由于鋼纖維與混凝土變形相同，由式（1）得：
因?yàn)殇摾w維與混凝土具有相同的應(yīng)變，即εc=εm=εf，則上式變?yōu)椋?/p>
式中：Ec、Em、Ef分別為復(fù)合材料、混凝土和鋼纖維的彈性模量。
某橋主梁采用混凝土的強(qiáng)度為C60，彈性模量為3.6×104MPa，鋼纖維的彈性模量為2.0×105MPa，聚丙烯腈纖維的彈性模量為2.0×104MPa，代入以上公式，分別可以計(jì)算出鋼纖維以及聚丙烯腈纖維的0～2%體積率下混凝土的彈性模量Ec（見表1）。
表1 體積率對(duì)混凝土彈性模量的影響(單位：MPa)
2 工程概況
某橋由左右兩幅獨(dú)立的橋梁組成。主跨跨徑為109 m+168 m+109 m。橋梁結(jié)構(gòu)型式為連續(xù)梁橋，其中上部結(jié)構(gòu)為單箱單室混凝土梁。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，包括縱向預(yù)應(yīng)力、橫向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力。下部結(jié)構(gòu)主墩采用單項(xiàng)雙室空心墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注群樁，采用嵌巖樁設(shè)計(jì)。橋面鋪裝為9 cm厚瀝青混凝土，設(shè)置2%的雙向橫坡。橋面全寬39.5 m，公路等級(jí)為城市主干路。荷載標(biāo)準(zhǔn)為：公路-I級(jí)。預(yù)應(yīng)力混凝土單幅箱梁頂板寬19.3 m，底板寬10.1 m；箱梁根部高10.5 m，腹板厚度1.2 m，頂板厚0.5 m；底板厚1.2 m；跨中及支點(diǎn)梁高4.0 m，腹板厚0.5 m，頂板厚0.32 m，底板厚0.35 m。箱梁采用混凝土集料等級(jí)為C60,墩身、承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。
施工順序中首先澆筑主墩樁基、承臺(tái)、墩身。立模0#及1#梁段的同時(shí)形成臨時(shí)固結(jié)約束和安放邊墩支座。隨后拼裝機(jī)移動(dòng)掛籃，依次澆筑2#～25#梁段。滿足張拉條件后，依次對(duì)稱張拉2#～25#梁段鋼束。臨時(shí)T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)。澆筑并完成邊跨合攏以及預(yù)應(yīng)力束張拉之后，拆除主墩處的臨時(shí)約束。然后澆筑跨中合攏段，進(jìn)行跨中預(yù)應(yīng)力束的張拉。最后，完成橋面鋪裝、欄桿、排水設(shè)施等附屬工程，成橋。
3 有限元數(shù)值模擬分析
采用MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)該大橋成橋后的下?lián)锨闆r進(jìn)行模擬。計(jì)算模型（見圖1）將368 m長的某橋簡(jiǎn)化成空間干系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，離散成128個(gè)節(jié)點(diǎn)、127個(gè)單元。懸澆施工過程中各梁段采用空間梁?jiǎn)卧M。箱梁主要有8個(gè)控制截面，其余采用變截面。模型考慮的邊界條件為：梁段橋頭的伸縮縫設(shè)置活動(dòng)鉸支座，固定其Y和Z方向的位移；主墩處13#主墩支座固定其Y和Z方向的位移，14#主墩支座設(shè)置為固結(jié)，固定X、Y、Z三個(gè)方向上的位移。自重和預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用由程序自行處理。
圖1 MIDAS/Civil計(jì)算模型
4 有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果
4.1 控制纖維體積摻量的分析結(jié)果
為考慮鋼纖維以及聚丙烯腈纖維體積率對(duì)橋梁變形的影響，分別將兩者體積摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纖維混凝土參數(shù)設(shè)置入有限元數(shù)值模擬軟件。具體情況見圖2、圖3、表2。
圖2 鋼纖維體積率對(duì)撓度的影響
圖3 聚丙烯腈纖維體積率對(duì)撓度的影響
表2 纖維體積率對(duì)跨中撓度的影響(單位：mm)
從圖中可以看出，加入鋼纖維后橋梁的下?lián)献冃斡袦p小的趨勢(shì)，在中跨跨中位置表現(xiàn)得尤為明顯。鋼纖維體積率為2%時(shí)，全橋下?lián)献冃巫畲罂蓽p小6.7 mm，但加入聚丙烯腈后橋梁跨中下?lián)嫌兴黾樱译S纖維體積率的增大而不斷增大。當(dāng)聚丙烯腈體積率為2%時(shí)，全橋下?lián)献冃温晕⒃黾恿?.8 mm。這是因?yàn)槔w維混凝土中纖維體積率的不斷增大使混凝土的彈性模量從無纖維的混凝土向纖維本身的彈性模量靠近。對(duì)于材料的彈性模量，無纖維混凝土的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼纖維，略大于聚丙烯腈纖維，故鋼纖維體積率的增加能不斷提升纖維混凝土的剛度，而聚丙烯腈纖維的作用正好相反，體積率的提升增加了混凝土材料的柔韌性。由于聚丙烯腈纖維與C60混凝土的彈性模量相差不大，有限元模擬中聚丙烯腈纖維混凝土橋梁的跨中下?lián)吓c無纖維時(shí)相比增大不足1 mm，下?lián)下栽龅那闆r容易通過對(duì)預(yù)應(yīng)力束調(diào)整的方法應(yīng)對(duì)。
4.2 局部梁段摻入纖維對(duì)撓度的影響
對(duì)纖維混凝土良好的材料抗裂性能的應(yīng)用有助于提高橋梁局部的抗裂能力。基于使用性能，考慮在局部不同長度梁段使用纖維的方法，不僅能改善結(jié)構(gòu)正常使用荷載下的性能，也能簡(jiǎn)化施工難度，控制纖維混凝土的使用量，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)纖維混凝土在整個(gè)連續(xù)箱梁中使用的部位不同，建立了3個(gè)不同的結(jié)構(gòu)模型方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。采用鋼纖維及聚丙烯腈纖維體積摻量為2%時(shí)的纖維混凝土數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。除纖維混凝土的使用節(jié)段范圍不用外，其余的包括恒載、預(yù)應(yīng)力荷載等參數(shù)保持不變。圖4為在不同箱梁段長度范圍內(nèi)摻入纖維的3個(gè)模型方案。
圖4 局部梁段摻入纖維方案
由圖5、圖6、表3可以看出，不同種類的纖維的摻入對(duì)各方案中主梁的撓度變形影響各不相同。對(duì)撓度的影響同樣在主跨跨中附近表現(xiàn)得更為明顯。對(duì)于鋼纖維，方案一中的跨中撓度減小了8.8 mm，方案二的跨中撓度減小了10.3 mm，方案三的跨中撓度減小了5.1 mm。使用聚丙烯混凝土的模型，方案一的跨中撓度減小了6.4 mm，方案二的跨中撓度增大了7.3 mm，方案三的跨中撓度增大了3.1 mm。從對(duì)跨中撓度的影響程度的角度來說，方案二的影響程度最大，方案一居中，方案三最小。從纖維使用量的角度來說，方案一最好，方案三為方案一的1.24倍，方案二為方案一的1.84倍。如果綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和使用性能指標(biāo)考慮，方案一為最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)力的方案。
圖5 鋼纖維不同方案對(duì)撓度的影響
圖6 聚丙烯腈纖維不同方案對(duì)撓度的影響
5 結(jié)論
（1）摻入鋼纖維或聚丙烯腈纖維的纖維混凝土對(duì)連續(xù)橋梁的下?lián)嫌幸欢ǖ挠绊?。其中，鋼纖維混凝土能明顯減少橋梁的下?lián)?，而聚丙烯腈混凝土可以使橋梁的下?lián)下杂性黾印?/p>
表3 局部纖維混凝土對(duì)跨中撓度的影響(單位：mm)
（2）纖維混凝土中纖維的摻量與連續(xù)橋梁撓度的變化值具有相關(guān)性。鋼纖維的體積率與撓度的減小值成正相關(guān)，聚丙烯腈纖維的體積率與撓度減小值成負(fù)相關(guān)。
（3）主梁中不同局部使用纖維混凝土對(duì)橋梁下?lián)系挠绊懖幌嗤?。分別從改善橋梁的使用性能和經(jīng)濟(jì)性能兩方面考慮，得出其中主梁支座處使用纖維混凝土的方案一最佳。
[1]李國平.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)及設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社,2004.
[2]呂志濤,潘鉆峰.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(1):71-76.
[3]陳開利.帕勞共和國的橋梁倒塌事故[J].國外公路，1998,18(3):31-33.
[4]王法武,石雪飛.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長期撓度控制研究[J].中外公路,2006,(8):72-76.
[5]王茹.鋼纖維混凝土的力學(xué)試驗(yàn)研究及其破壞過程的數(shù)值模擬[D].沈陽：東北大學(xué),2004.
[6]宋強(qiáng).聚丙烯腈纖維混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].福建建筑,2007,(5):50-5
[7]高丹盈,劉健秀.鋼纖維混凝土基本理論[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994.
猜你喜歡
合成樹脂及塑料(2022年6期)2022-03-14 11:40:55
World Journal of Clinical Cases(2020年16期)2020-09-16 13:35:08
合成樹脂及塑料(2020年5期)2020-01-17 02:26:50
上海公路(2017年2期)2017-03-12 06:23:31
中國塑料(2016年5期)2016-04-16 05:25:38
河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年5期)2015-03-11 16:16:34
建筑材料學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-02-28 02:36:30
建筑材料學(xué)報(bào)(2015年3期)2015-02-28 02:36:28
西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年6期)2014-11-10 02:35:32
吉林地質(zhì)(2014年4期)2014-03-11 16:47:56
