基于MIDAS/Civil的纤维混凝土对桥梁下挠影响的有限元分析

2015-01-08 09:22
城市道桥与防洪 2015年7期
关键词:聚丙烯腈钢纤维挠度

刘 博

(广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州 510006)

0 引言

最近20年,桥梁在理论创新和实践经验积累的促进下飞速发展,桥梁建设向着更大、更长的方向快速进步,但同时,一些桥梁的病害也逐渐凸显。据统计,大跨径预应力混凝土梁桥普遍存在主梁梁体开裂和下挠过大的问题[1]。下挠过大不仅会破坏桥梁的美观,降低行车的舒适性,使养护费用大幅增加,而且在严重的情况下还会改变桥梁的受力体系,使内力重分配,造成桥梁运营和结构安全度的降低。结构一旦出现裂缝,下挠变化的机理将变得异常复杂,下挠现象也将继续恶化[2]。1996年9月,帕劳共和国的Koror-Babeldaob刚架桥在通车不久后主跨中央产生较大挠度,虽经经过修补,但仍然发生倒塌事故,造成巨大损失[3,4]。

预应力混凝土梁桥的跨度不断增大,对桥梁的结构材料提出了更高要求。国内外高性能混凝土的研究取得了长足进步,其应用变得日益广泛,在桥梁中的使用也使得桥梁的大跨度趋势成为了可能。研究表明,与普通混凝土相比,纤维混凝土在抗折强度、抗弯强度、耐久性、抗疲劳性等方面具有优异的特性,在工程应用中表现出的优异性能使其具有更广阔的应用前景[5,6]。由于纤维混凝土优良的抗裂性能,使用纤维混凝土防止大跨径梁桥梁体的开裂是今后建设大跨混凝土桥梁的必然选择。目前纤维混凝土主要掺入的是钢纤维和聚丙烯腈纤维。由于纤维混凝土与普通混凝土相比其力学性能有所改变,对于大跨度桥梁出现的成桥后跨中下挠情况,纤维混凝土也能在一定程度上产生影响。

本文以在建箱梁桥为工程背景,通过MIDAS/Civil计算软件的模拟计算,将桥梁使用钢纤维混凝土与使用聚丙烯腈纤维混凝土在成桥后的跨中挠度进行对比,并且分析纤维混凝土使用在桥梁的不同部位以及纤维混凝土中纤维的不同体积掺量对桥梁跨中挠度的影响。研究最后得到纤维混凝土箱梁桥成桥后跨中挠度的规律,同时也可以指导同类大跨度桥梁设计时可以考虑通过使用纤维混凝土来降低成桥时跨中挠度的方法,从而保证桥梁在施工以及竣工后的结构安全性和行车舒适性,使桥梁在正常使用状态下完成预定功能。

1 纤维混凝土基本性能

目前国内外对纤维混凝土增强机理的研究主要有三种基本理论:一种是基于复合材料力学的混合理论,第二种是基于断裂力学基础上的纤维间距理论,第三种是截面效应理论[7]。

复合材料力学理论将掺有钢纤维的混凝土视为一种纤维强化体系,使用混合原理来考虑钢纤维混凝土应力、强度、弹模等,同时引入纤维方向系数(η0)和纤维长度系数(ηl),并要考虑拉伸应力方向上有效纤维体积率的比例、非连续性短纤维应力沿纤维长度的非均匀分布这两种因素。

钢纤维混凝土开裂前处于弹性变形范围内的应力为:

式中:σ为钢纤维混凝土的应力;σf为钢纤维的应力;σm为混凝土的应力;ρf为钢纤维体积率;ρm为混凝土体积率,ρm=1-ρf。

由于钢纤维与混凝土变形相同,由式(1)得:

因为钢纤维与混凝土具有相同的应变,即εc=εm=εf,则上式变为:

式中:Ec、Em、Ef分别为复合材料、混凝土和钢纤维的弹性模量。

某桥主梁采用混凝土的强度为C60,弹性模量为3.6×104MPa,钢纤维的弹性模量为2.0×105MPa,聚丙烯腈纤维的弹性模量为2.0×104MPa,代入以上公式,分别可以计算出钢纤维以及聚丙烯腈纤维的0~2%体积率下混凝土的弹性模量Ec(见表1)。

表1 体积率对混凝土弹性模量的影响(单位:MPa)

2 工程概况

某桥由左右两幅独立的桥梁组成。主跨跨径为109 m+168 m+109 m。桥梁结构型式为连续梁桥,其中上部结构为单箱单室混凝土梁。箱梁采用三向预应力体系,包括纵向预应力、横向预应力和竖向预应力。下部结构主墩采用单项双室空心墩,基础为钻孔灌注群桩,采用嵌岩桩设计。桥面铺装为9 cm厚沥青混凝土,设置2%的双向横坡。桥面全宽39.5 m,公路等级为城市主干路。荷载标准为:公路-I级。预应力混凝土单幅箱梁顶板宽19.3 m,底板宽10.1 m;箱梁根部高10.5 m,腹板厚度1.2 m,顶板厚0.5 m;底板厚1.2 m;跨中及支点梁高4.0 m,腹板厚0.5 m,顶板厚0.32 m,底板厚0.35 m。箱梁采用混凝土集料等级为C60,墩身、承台采用C40混凝土,桩基采用C30混凝土。

施工顺序中首先浇筑主墩桩基、承台、墩身。立模0#及1#梁段的同时形成临时固结约束和安放边墩支座。随后拼装机移动挂篮,依次浇筑2#~25#梁段。满足张拉条件后,依次对称张拉2#~25#梁段钢束。临时T构处于最大悬臂状态。浇筑并完成边跨合拢以及预应力束张拉之后,拆除主墩处的临时约束。然后浇筑跨中合拢段,进行跨中预应力束的张拉。最后,完成桥面铺装、栏杆、排水设施等附属工程,成桥。

3 有限元数值模拟分析

采用MIDAS/Civil有限元软件对该大桥成桥后的下挠情况进行模拟。计算模型(见图1)将368 m长的某桥简化成空间干系结构进行分析,离散成128个节点、127个单元。悬浇施工过程中各梁段采用空间梁单元模拟。箱梁主要有8个控制截面,其余采用变截面。模型考虑的边界条件为:梁段桥头的伸缩缝设置活动铰支座,固定其Y和Z方向的位移;主墩处13#主墩支座固定其Y和Z方向的位移,14#主墩支座设置为固结,固定X、Y、Z三个方向上的位移。自重和预应力对结构的作用由程序自行处理。

图1 MIDAS/Civil计算模型

4 有限元数值模拟分析结果

4.1 控制纤维体积掺量的分析结果

为考虑钢纤维以及聚丙烯腈纤维体积率对桥梁变形的影响,分别将两者体积掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纤维混凝土参数设置入有限元数值模拟软件。具体情况见图2、图3、表2。

图2 钢纤维体积率对挠度的影响

图3 聚丙烯腈纤维体积率对挠度的影响

表2 纤维体积率对跨中挠度的影响(单位:mm)

从图中可以看出,加入钢纤维后桥梁的下挠变形有减小的趋势,在中跨跨中位置表现得尤为明显。钢纤维体积率为2%时,全桥下挠变形最大可减小6.7 mm,但加入聚丙烯腈后桥梁跨中下挠有所增加,且随纤维体积率的增大而不断增大。当聚丙烯腈体积率为2%时,全桥下挠变形略微增加了0.8 mm。这是因为纤维混凝土中纤维体积率的不断增大使混凝土的弹性模量从无纤维的混凝土向纤维本身的弹性模量靠近。对于材料的弹性模量,无纤维混凝土的弹性模量远小于钢纤维,略大于聚丙烯腈纤维,故钢纤维体积率的增加能不断提升纤维混凝土的刚度,而聚丙烯腈纤维的作用正好相反,体积率的提升增加了混凝土材料的柔韧性。由于聚丙烯腈纤维与C60混凝土的弹性模量相差不大,有限元模拟中聚丙烯腈纤维混凝土桥梁的跨中下挠与无纤维时相比增大不足1 mm,下挠略增的情况容易通过对预应力束调整的方法应对。

4.2 局部梁段掺入纤维对挠度的影响

对纤维混凝土良好的材料抗裂性能的应用有助于提高桥梁局部的抗裂能力。基于使用性能,考虑在局部不同长度梁段使用纤维的方法,不仅能改善结构正常使用荷载下的性能,也能简化施工难度,控制纤维混凝土的使用量,具有非常明显的经济效益。根据纤维混凝土在整个连续箱梁中使用的部位不同,建立了3个不同的结构模型方案进行结构静力分析。采用钢纤维及聚丙烯腈纤维体积掺量为2%时的纤维混凝土数据进行有限元模拟计算。除纤维混凝土的使用节段范围不用外,其余的包括恒载、预应力荷载等参数保持不变。图4为在不同箱梁段长度范围内掺入纤维的3个模型方案。

图4 局部梁段掺入纤维方案

由图5、图6、表3可以看出,不同种类的纤维的掺入对各方案中主梁的挠度变形影响各不相同。对挠度的影响同样在主跨跨中附近表现得更为明显。对于钢纤维,方案一中的跨中挠度减小了8.8 mm,方案二的跨中挠度减小了10.3 mm,方案三的跨中挠度减小了5.1 mm。使用聚丙烯混凝土的模型,方案一的跨中挠度减小了6.4 mm,方案二的跨中挠度增大了7.3 mm,方案三的跨中挠度增大了3.1 mm。从对跨中挠度的影响程度的角度来说,方案二的影响程度最大,方案一居中,方案三最小。从纤维使用量的角度来说,方案一最好,方案三为方案一的1.24倍,方案二为方案一的1.84倍。如果综合经济指标和使用性能指标考虑,方案一为最优竞争力的方案。

图5 钢纤维不同方案对挠度的影响

图6 聚丙烯腈纤维不同方案对挠度的影响

5 结论

(1)掺入钢纤维或聚丙烯腈纤维的纤维混凝土对连续桥梁的下挠有一定的影响。其中,钢纤维混凝土能明显减少桥梁的下挠,而聚丙烯腈混凝土可以使桥梁的下挠略有增加。

表3 局部纤维混凝土对跨中挠度的影响(单位:mm)

(2)纤维混凝土中纤维的掺量与连续桥梁挠度的变化值具有相关性。钢纤维的体积率与挠度的减小值成正相关,聚丙烯腈纤维的体积率与挠度减小值成负相关。

(3)主梁中不同局部使用纤维混凝土对桥梁下挠的影响不相同。分别从改善桥梁的使用性能和经济性能两方面考虑,得出其中主梁支座处使用纤维混凝土的方案一最佳。

[1]李国平.桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]吕志涛,潘钻峰.大跨径预应力混凝土箱梁桥设计中的几个问题[J].土木工程学报,2010,43(1):71-76.

[3]陈开利.帕劳共和国的桥梁倒塌事故[J].国外公路,1998,18(3):31-33.

[4]王法武,石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究[J].中外公路,2006,(8):72-76.

[5]王茹.钢纤维混凝土的力学试验研究及其破坏过程的数值模拟[D].沈阳:东北大学,2004.

[6]宋强.聚丙烯腈纤维混凝土基本力学性能的试验研究[J].福建建筑,2007,(5):50-5

[7]高丹盈,刘健秀.钢纤维混凝土基本理论[M].北京:科学技术文献出版社,1994.

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