淺談薄壁黏土墩在橋梁上的應(yīng)用

淺談薄壁黏土墩在橋梁上的應(yīng)用

隨著社會經(jīng)濟水平的顯著提高，橋梁建設(shè)仍停留在現(xiàn)有技術(shù)和用途的功能上，對橋梁底部的審美要求也越來越強烈。因薄壁花瓶墩頂部弧線流暢、美觀,橋梁下部空間感強,近年來該型橋墩被大量應(yīng)用工程建設(shè)中。隨著使用頻次的增加及橋墩受力分析方法不得當,造成眾多薄壁花瓶墩墩頂出現(xiàn)裂縫。下面筆者結(jié)合某工程上薄壁花瓶墩墩頂裂縫形成機理,進行定量分析,確定裂縫成因,為薄壁花瓶墩的設(shè)計與驗算提供有效的分析方法及指導(dǎo)。1橋墩結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標檢測某工程項目中的一座互通立交采用雙喇叭型式,立交區(qū)共設(shè)置9條匝道,其中A匝道、C匝道、D匝道、E匝道均采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,B匝道橋采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁?；ネ⒔籅、C、D、E匝道橋下部結(jié)構(gòu)采用花瓶式橋墩,樁基礎(chǔ)。交工驗收時檢測出C匝道橋3號墩墩頂中心位置出現(xiàn)寬0.4mm、深1.5cm,長40cm的U型裂縫。C匝道橋3號橋墩墩身底緣寬2.2m,頂緣寬3.74m,壁厚1.2m,具體尺寸見圖1。技術(shù)標準:(1)設(shè)計荷載:公路-I級;(2)設(shè)計安全等級:二級;(3)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):1.0;(4)環(huán)境年平均相對濕度:80%;(5)環(huán)境類別:Ⅲ類;(6)墩身采用C40海工耐久混凝土,普通鋼筋采用HPB235及HRB335熱軋鋼筋。3號橋墩永久荷載支反力為4260kN,可變荷載為1680kN。永久荷載包含上部橋梁結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變及基礎(chǔ)變位的共同作用,可變?yōu)槠囈苿雍奢d下的最大支座反力。2拉壓桿模型法按混凝土結(jié)構(gòu)的受力特征,國際工程界將混凝土結(jié)構(gòu)劃分為B區(qū)和D區(qū)。B區(qū)是指截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定的結(jié)構(gòu)區(qū)域,它們的截面應(yīng)力狀態(tài)可以通過內(nèi)力得出。D區(qū)則指截面應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯非線性的結(jié)構(gòu)區(qū)域,也就是所說的應(yīng)力擾動區(qū)。這些部位具有幾何構(gòu)造上的不連續(xù)或力流受擾動的特點,在彈性階段開始平截面應(yīng)變鑒定就已經(jīng)不再成立。薄壁花瓶墩當墩頂橫橋向設(shè)置一定間距的雙支座時,其受力特征符合混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)。目前D區(qū)的常用分析模型主要有三維有限元模型及拉壓桿模型,拉壓桿模型是D區(qū)設(shè)計的一種簡單而實用的方法。為了能準確分析出C匝道橋3號橋墩墩頂裂縫產(chǎn)生的原因,分別采用了Analysis三維實體有限元模型和拉壓桿模型分別進行分析。2.1薄異形橋墩應(yīng)力分析三維實體單元選取ANSYS程序提供的SOLID45及SOLID65單元。在線彈性分析時采用普通實體SOLID45單元,在非線性裂縫模擬分析時采用混凝土材料專用的SOLID65單元。SOLID45及SOLID65單元均可用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型,用單元的實體性能來模擬混凝土,而用加筋性能來模擬鋼筋的作用。二者區(qū)別主要是SOLID65實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。墩頂計算應(yīng)力結(jié)果的輸出,選取應(yīng)力數(shù)據(jù)點1及點2的位置(圖2及圖3),其中,應(yīng)力點1為橋墩頂面中心位置,應(yīng)力點2為頂面橫向?qū)ΨQ截面邊緣處;選取的應(yīng)力路徑1如圖2所示,為橋墩頂面橫向?qū)ΨQ截面一側(cè)至另一側(cè),選取的應(yīng)力路徑2如圖3所示,為橋墩頂面中心至橋墩下部變截面開始處。經(jīng)程序分析并繪制混凝土橫橋向應(yīng)力沿路徑1(圖6)及路徑2(圖7)的應(yīng)力分布圖,可以得出薄壁花瓶墩的應(yīng)力分布特征:(1)橋墩頂面橫橋向應(yīng)力沿縱橋向分布均勻;(2)隨距頂面距離的增大而逐漸減小,最大應(yīng)力位于頂面,距頂面約0.85m處應(yīng)力為0,隨后變?yōu)閴簯?yīng)力,在距頂面約1.6m處,壓應(yīng)力達到最大值,隨后壓應(yīng)力逐漸減小。橋墩頂中截面應(yīng)力點1和應(yīng)力點2在各個荷載及其短期/長期效應(yīng)組合下的應(yīng)力結(jié)果見表1。從表1中可以看出,C匝道橋墩頂中截面的混凝土橫向應(yīng)力在恒載作用下已經(jīng)超過C40混凝土的標準抗拉強度2.40MPa,節(jié)點1在恒載下的橫橋應(yīng)力即為3.20MPa,在短期/長期效應(yīng)組合下的應(yīng)力分別為4.11MPa/3.74MPa。可見,橋墩頂面兩支座間的混凝土在恒載與活載的組合作用下是極有可能開裂。2.2要構(gòu)建新的模型拉壓桿模型是一種基于塑性理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。為確保拉壓桿模型能真實地反應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部力流的傳遞特征,在構(gòu)建拉壓桿模型時應(yīng)遵循以下原則:(1)拉桿、壓桿的布置應(yīng)盡可能與主拉應(yīng)力跡線、主壓應(yīng)力跡線的走向一致。(2)最小應(yīng)變能原則,即荷載在結(jié)構(gòu)中引起的真實變形總是使結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能最小。依據(jù)上述兩原則,構(gòu)建模型如圖8。從圖8可以看出,在兩個支座力N1/N2豎向力作用下,壓力沿著橋墩側(cè)面斜向傳遞到下部等截面區(qū)域,這斜向壓力在橋墩內(nèi)形成了斜向撐桿,其豎向分量與上部支座力平衡,而其水平分量則在支座間的一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了向外的拉力,這個拉力形成系桿(拉桿)。因此,在設(shè)計中此拉桿區(qū)域應(yīng)配置足夠的抗拉鋼筋來抵抗該拉力,以滿足該部位的抗拉承載力及裂縫寬度控制。通過拉-壓桿模型,分析計算墩頂承載力結(jié)果(見表2),可以得出墩頂強度滿足規(guī)范要求,但鋼筋拉應(yīng)力基本達到限值280MPa,說明抗拉鋼筋配置數(shù)量偏少。拉-拉桿模型的計算方法是基于承載能力極限狀態(tài),為了驗證裂縫寬度是否能與檢測結(jié)果一致,故在強度滿足的前提下還應(yīng)按規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中6.4.3驗算墩頂裂縫寬度。求得最不利組合下裂縫寬度為0.27mm,超出規(guī)范的允許值0.15mm,雖然與檢測的0.4mm略有偏差,但結(jié)果表明,在目前結(jié)構(gòu)配筋的前提下有可能產(chǎn)生較大裂縫。3現(xiàn)場試驗的結(jié)果經(jīng)上述分析,可得出以下結(jié)論:(1)橋墩使用階段下,橋墩頂部兩支座間的混凝土在上部恒載和汽車活載組合作用下由于橫向拉應(yīng)力較大,可能產(chǎn)生裂縫。裂縫分布區(qū)域與橋墩應(yīng)力分析結(jié)果基本一致,并與現(xiàn)場查看得到的橋墩頂部U型裂縫的開裂破壞特征基本吻合。(2)花瓶式橋墩頂部的支座力是導(dǎo)致其間的混凝土橫向開裂的主要原因:上部結(jié)構(gòu)的恒載作用對墩頂橫向受力的影響最大,而活載的影響相對較小。(3)持久狀況的承載能力極限狀態(tài)驗算表明橋墩頂部系桿的承載力基本滿足規(guī)范要求,但持久狀況的正常使用極限狀態(tài)的裂縫驗算表明,裂縫寬度較大,不能滿足規(guī)范要求。(4)裂縫所處位置為花瓶墩頂兩支座間的混凝土受拉區(qū)域,,其主要原因是橋墩兩支座間距較大,在兩邊兩豎向支座力作用下,墩身斜向混凝土的支撐反力在兩支座間橋墩混凝土中產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力導(dǎo)致。4鋼筋分配的精細分析薄壁花瓶墩墩頂受力復(fù)雜,應(yīng)按混