论文部分内容阅读
摘要：本文主要针对北排涌主桥桥梁结构病害产生的原因进行分析,然而单凭经验不能准确地把握,加之,产生某一病害的原因并非单一存在的,通常都是受多重作用影响的,此时,对结构的模拟和计算分析就显得尤为重要。
关键词：连续刚构；预应力；温度；超载；病害成因
中图分类号： K928.78文献标识码：A
1、工程概况
1.1桥梁简介
北排涌主桥为3跨现浇变截面预应力混凝土连续刚构，单箱单室，梁高为2.2m~4.5m。跨径组合为（75+95+63.83）m，桥面宽度13.45m，桥面布局为：0.60（防撞墙）+12.25（车行道）+0.60（防撞墙）。箱梁上施加3向预应力，纵向主要采用13-7φ5钢绞线，横向用2-7φ5钢绞线，竖向采用高强精轧螺纹粗钢筋。主梁在75m边跨一侧桥墩与主梁固接，在另一侧墩顶通过单向活动支座与主梁联接。施工采用满堂支架整体现浇，先浇筑边跨混凝土，中跨预留3m的合拢段，待边跨顶板短束、腹板短束、底板束张拉完毕后，对中跨实施锁定、合拢，最后张拉全部腹板钢束，中跨底板钢束。梁体采用C50混凝土。下部结构采用矩形墩，钻孔灌注桩基础，墩柱采用C40混凝土。该桥竣工于2009年3月，桥梁设计荷载等级为城A级，抗震烈度按7度设防。
1.2地质情况
桥址位置地面标高1.0m~3.0m，水位受潮汐影响，河床表上层主要为淤泥和粉细砂。据勘察所揭露到的岩土层有填筑上层、种植土层、冲积层、白垩系页岩、泥岩。
2、预应力对结构的影响
预应力束在施工张拉过程中会有预应力损失,预应力损失包括预应力钢筋与管道壁之间的摩擦，描具变形、钢筋回缩和接缝压缩，预应力钢筋和台座间的温差,混凝土的弹性压缩,预应力钢筋的应力松驰，混凝土的收缩徐变等。本桥的预应力筋最长的达150m,几乎跨过两个桥跨,从桥壤处梁截面腹板顶端逐渐延伸到边跨支座处腹板底端和中跨跨中附近腹板底端,张拉管道长,折角多,摩擦引起的预应力损失占绝大部分,收缩徐变也会引起相当数量的损失,因此有必要讨论预应力损失对结构的影响。
下面讨论预应力损失10%、20%、30%三种工况下,主梁内力、位移、应力的变化。如下图是各种预应力损失情况下,短期荷载组合的轴力变化图线。
（主梁单元号）图1预应力损失影响下主梁轴力
上图可以看出,预应力损失越多,轴力减小越多,当预应力无损失、损失10%、损失20%、损失30%时墩顶26号单元轴力分别为-155728kN、-147657 kN、-137015 kN、-126331 kN,墩顶 64 号单元轴力分别为-142480 kN、-135720 kN、-126553 kN-117423kN,轴力平均减小趋势为6.8%、10.4%、11.8%。
预应力损失对主梁轴力和剪力的影响较小,而对弯矩、上下翼缘应力、竖向位移影响较为明显,壞顶和跨中区域出现了拉应力,预应力损失30%的情况下,拉应力值很接近材料的抗拉极限,很可能导致梁体开裂。
3、温度对结构的影响
温度对桥跨结构的影响主要体现在温度升高引起混凝土膨胀使梁体内部产生压应力,而降溫则刚好相反,如此反复循环很容易引起梁体产生裂缝,根据经验,温度对结构的影响往往还比较明显,因此这里有必要讨论温度的影响。
这里以体系升、降温和温度梯度的形式对整体模型施加温度荷载。由于施工温度不详,按整体升温20℃，整体降温20℃施加体系温度,沥青混凝土铺装为10cm,温度梯度按《桥规》(JTGD60-2004)规定的第三种情况。
下图是考虑温度荷载和未考虑温度荷载影响下,主梁弯矩的变化。
（主梁单元号） 图2 温度影响下主梁弯矩值(相反数)
从上图可以看出,考虑温度以后,主梁正负弯矩均有增大的趋势,但不明显,中跨跨中区段弯矩增幅较大,达到35.9%的增长率。
温度对梁体产生的影响主要表现在弯矩的增加以及压应力减小的变化上。因此分析裂缝成因时,考虑温度的影响是很有必要的。
4、超载对结构的影响
车辆在桥面行驶过程中,对梁体有冲击作用,检测中发现,桥头的伸缩缝装置在
车载的冲击下坑坑作响,如此长期反复的作用势必引起伸缩缝的破坏。另外,用传感
器监测裂缝开合情况时发现,裂缝的开合与上部活载有较大关系,加之超载的影响,使得裂缝产生不可逆转的张开,因此有必要研究超载对梁体的影响。
为了研究超载对结构的影响,这里建立了三种工况,即不超载、超载10%、超载20%。
超载现象对主梁的内力和应力影响较小,对竖向位移影响较大,引起竖向位移绝对值的增大。
5、建立损伤模型
比较讨论了各个因素对结构的影响后,可以看出收缩徐变、预应力损失和温度影响较大,活载也有一定影响,但不是很明显,另外还应考虑开裂部位的刚度折减。针对这些较为突出的因素,采用各因素单独作用和多重因素组合的方式进行分析再与实际数据对比,得出最符合实际损伤的分析模型。比较后得出的结果为：在预应力损失25%、超载15%、实际开裂部位刚度折减20%以及系统升、降温20°C,支座沉10mm的情况下,模型得到的结果与实际检测结果相符度较高,故釆用此种情况下的整体模型作为损伤状态模型。
图3、图4是在短期组合下,损伤模型主梁单元的上、下翼缘应力值曲线。
（主梁单元号） 图3短期组合下主梁上翼缘应力
（主梁单元号）图4-26短期组合下主梁下翼缘应力
以上两图,主梁的上下翼缘应力均出现了正值,上翼缘在22~30号、60~69号单元出现了拉应力,26号、64号单元应力值分别2.46MPa和2.02MPa,已经超过了材料的抗拉强度设计值,这与检测报告中顶板裂缝主要分布范围较为吻合。而底板拉应力分布在8~12号、49?52号以及80~83号单元,最大值出现在9号、50号、79号单元,其值分别为1.88 MPa、0.70 MPa、1.20MPa,很接近开裂限值,这与检测结果中底板幵裂的范围也一致。
6、结语
本章以实桥检测结果为依托,首先根据原始设计资料建立全桥模型,计算结果呈现出的状态与检测结果不相符,说明设计参数已经发生了偏离。随后分析了预应力损失、温度等因素对结构受力的影响,结果表明:
1、预应力损失对主梁轴力和剪力的影响较小,而对弯矩、上下翼缘应力、竖向位移影响较为明显,壤顶和跨中区域出现了拉应力。预应力损失30%的情况下,拉应力值非常接近材料的抗拉极限,很可能导致梁体幵裂。
2、温度对梁体产生的影响主要表现在弯矩的增加以及压应力减小的变化上。因此分析裂缝成因时,考虑温度的影响是很有必要的。
3、超载对主梁的内力和应力影响较小,对竖向位移影响较大,引起竖向位移绝对
值的增大,平均增幅为8%。基于以上分析结果,釆用各因素单独作用和多重因素组合的方式进行分析,并考虑开裂部位的刚度折减,再将计算结果与实际数据对比,得出最符合实际损伤的分析模型。最终模型考虑预应力损失25%、超载15%、实际开裂部位刚度折减20%以及系统升、降温20℃,支座沉降10mm等情况。
可以认为造成梁体开裂的主要因素是预应力损失、收缩徐变、温度、移动荷载以及开裂部位刚度削弱,结构构造欠妥也是一方面的原因。另外,本桥位于曲线段上,R=2007m,在建立模型时没有考虑这一方面,而在实际过程中,曲线梁体容易存在应力集中或应力分布不均的现象,这也是引起开裂的一个因素。还有,支座沉降、基础变位、施工顺序、模板刚度、拆模时间、加载龄期、混凝土受荷疲劳、伸缩缝被破坏而失效等也可能引起裂纹或裂缝的出现。
关键词：连续刚构；预应力；温度；超载；病害成因
中图分类号： K928.78文献标识码：A
1、工程概况
1.1桥梁简介
北排涌主桥为3跨现浇变截面预应力混凝土连续刚构，单箱单室，梁高为2.2m~4.5m。跨径组合为（75+95+63.83）m，桥面宽度13.45m，桥面布局为：0.60（防撞墙）+12.25（车行道）+0.60（防撞墙）。箱梁上施加3向预应力，纵向主要采用13-7φ5钢绞线，横向用2-7φ5钢绞线，竖向采用高强精轧螺纹粗钢筋。主梁在75m边跨一侧桥墩与主梁固接，在另一侧墩顶通过单向活动支座与主梁联接。施工采用满堂支架整体现浇，先浇筑边跨混凝土，中跨预留3m的合拢段，待边跨顶板短束、腹板短束、底板束张拉完毕后，对中跨实施锁定、合拢，最后张拉全部腹板钢束，中跨底板钢束。梁体采用C50混凝土。下部结构采用矩形墩，钻孔灌注桩基础，墩柱采用C40混凝土。该桥竣工于2009年3月，桥梁设计荷载等级为城A级，抗震烈度按7度设防。
1.2地质情况
桥址位置地面标高1.0m~3.0m，水位受潮汐影响，河床表上层主要为淤泥和粉细砂。据勘察所揭露到的岩土层有填筑上层、种植土层、冲积层、白垩系页岩、泥岩。
2、预应力对结构的影响
预应力束在施工张拉过程中会有预应力损失,预应力损失包括预应力钢筋与管道壁之间的摩擦，描具变形、钢筋回缩和接缝压缩，预应力钢筋和台座间的温差,混凝土的弹性压缩,预应力钢筋的应力松驰，混凝土的收缩徐变等。本桥的预应力筋最长的达150m,几乎跨过两个桥跨,从桥壤处梁截面腹板顶端逐渐延伸到边跨支座处腹板底端和中跨跨中附近腹板底端,张拉管道长,折角多,摩擦引起的预应力损失占绝大部分,收缩徐变也会引起相当数量的损失,因此有必要讨论预应力损失对结构的影响。
下面讨论预应力损失10%、20%、30%三种工况下,主梁内力、位移、应力的变化。如下图是各种预应力损失情况下,短期荷载组合的轴力变化图线。
（主梁单元号）图1预应力损失影响下主梁轴力
上图可以看出,预应力损失越多,轴力减小越多,当预应力无损失、损失10%、损失20%、损失30%时墩顶26号单元轴力分别为-155728kN、-147657 kN、-137015 kN、-126331 kN,墩顶 64 号单元轴力分别为-142480 kN、-135720 kN、-126553 kN-117423kN,轴力平均减小趋势为6.8%、10.4%、11.8%。
预应力损失对主梁轴力和剪力的影响较小,而对弯矩、上下翼缘应力、竖向位移影响较为明显,壞顶和跨中区域出现了拉应力,预应力损失30%的情况下,拉应力值很接近材料的抗拉极限,很可能导致梁体开裂。
3、温度对结构的影响
温度对桥跨结构的影响主要体现在温度升高引起混凝土膨胀使梁体内部产生压应力,而降溫则刚好相反,如此反复循环很容易引起梁体产生裂缝,根据经验,温度对结构的影响往往还比较明显,因此这里有必要讨论温度的影响。
这里以体系升、降温和温度梯度的形式对整体模型施加温度荷载。由于施工温度不详,按整体升温20℃，整体降温20℃施加体系温度,沥青混凝土铺装为10cm,温度梯度按《桥规》(JTGD60-2004)规定的第三种情况。
下图是考虑温度荷载和未考虑温度荷载影响下,主梁弯矩的变化。
（主梁单元号） 图2 温度影响下主梁弯矩值(相反数)
从上图可以看出,考虑温度以后,主梁正负弯矩均有增大的趋势,但不明显,中跨跨中区段弯矩增幅较大,达到35.9%的增长率。
温度对梁体产生的影响主要表现在弯矩的增加以及压应力减小的变化上。因此分析裂缝成因时,考虑温度的影响是很有必要的。
4、超载对结构的影响
车辆在桥面行驶过程中,对梁体有冲击作用,检测中发现,桥头的伸缩缝装置在
车载的冲击下坑坑作响,如此长期反复的作用势必引起伸缩缝的破坏。另外,用传感
器监测裂缝开合情况时发现,裂缝的开合与上部活载有较大关系,加之超载的影响,使得裂缝产生不可逆转的张开,因此有必要研究超载对梁体的影响。
为了研究超载对结构的影响,这里建立了三种工况,即不超载、超载10%、超载20%。
超载现象对主梁的内力和应力影响较小,对竖向位移影响较大,引起竖向位移绝对值的增大。
5、建立损伤模型
比较讨论了各个因素对结构的影响后,可以看出收缩徐变、预应力损失和温度影响较大,活载也有一定影响,但不是很明显,另外还应考虑开裂部位的刚度折减。针对这些较为突出的因素,采用各因素单独作用和多重因素组合的方式进行分析再与实际数据对比,得出最符合实际损伤的分析模型。比较后得出的结果为：在预应力损失25%、超载15%、实际开裂部位刚度折减20%以及系统升、降温20°C,支座沉10mm的情况下,模型得到的结果与实际检测结果相符度较高,故釆用此种情况下的整体模型作为损伤状态模型。
图3、图4是在短期组合下,损伤模型主梁单元的上、下翼缘应力值曲线。
（主梁单元号） 图3短期组合下主梁上翼缘应力
（主梁单元号）图4-26短期组合下主梁下翼缘应力
以上两图,主梁的上下翼缘应力均出现了正值,上翼缘在22~30号、60~69号单元出现了拉应力,26号、64号单元应力值分别2.46MPa和2.02MPa,已经超过了材料的抗拉强度设计值,这与检测报告中顶板裂缝主要分布范围较为吻合。而底板拉应力分布在8~12号、49?52号以及80~83号单元,最大值出现在9号、50号、79号单元,其值分别为1.88 MPa、0.70 MPa、1.20MPa,很接近开裂限值,这与检测结果中底板幵裂的范围也一致。
6、结语
本章以实桥检测结果为依托,首先根据原始设计资料建立全桥模型,计算结果呈现出的状态与检测结果不相符,说明设计参数已经发生了偏离。随后分析了预应力损失、温度等因素对结构受力的影响,结果表明:
1、预应力损失对主梁轴力和剪力的影响较小,而对弯矩、上下翼缘应力、竖向位移影响较为明显,壤顶和跨中区域出现了拉应力。预应力损失30%的情况下,拉应力值非常接近材料的抗拉极限,很可能导致梁体幵裂。
2、温度对梁体产生的影响主要表现在弯矩的增加以及压应力减小的变化上。因此分析裂缝成因时,考虑温度的影响是很有必要的。
3、超载对主梁的内力和应力影响较小,对竖向位移影响较大,引起竖向位移绝对
值的增大,平均增幅为8%。基于以上分析结果,釆用各因素单独作用和多重因素组合的方式进行分析,并考虑开裂部位的刚度折减,再将计算结果与实际数据对比,得出最符合实际损伤的分析模型。最终模型考虑预应力损失25%、超载15%、实际开裂部位刚度折减20%以及系统升、降温20℃,支座沉降10mm等情况。
可以认为造成梁体开裂的主要因素是预应力损失、收缩徐变、温度、移动荷载以及开裂部位刚度削弱,结构构造欠妥也是一方面的原因。另外,本桥位于曲线段上,R=2007m,在建立模型时没有考虑这一方面,而在实际过程中,曲线梁体容易存在应力集中或应力分布不均的现象,这也是引起开裂的一个因素。还有,支座沉降、基础变位、施工顺序、模板刚度、拆模时间、加载龄期、混凝土受荷疲劳、伸缩缝被破坏而失效等也可能引起裂纹或裂缝的出现。