翻新时间:2015-08-03
箱梁梁体裂缝修复的断裂力学原理分析
摘要:目前多采用环氧砂浆、贴碳纤维布或加贴钢板(条)等措施修复加固梁体。本文从断裂力学的角度,通过应力强度因子的变化来说明这些修复加固梁体措施的可行性。
关键词:断裂力学;裂纹;应力强度因子
中图分类号: C35 文献标识码: A
引言
改革开放以来,随着经济的快速发展,交通事业得到跨跃式发展,桥梁建设越来越多。混凝土因其原材料获取容易,价格便宜,使用方便、抗压强度高,耐久性好等优点,在桥梁建设中得到大规模的应用。但是近年来,各种混凝土桥梁的病害检测结果显示,混凝土裂缝已成为对桥梁结构造成严重危害的主要病害之一。在相同的静荷载作用下,带裂缝梁的跨中挠度、 拉应力和桥面压应力均比同样的完整梁大[1],其中影响最为严重的是横向裂缝,引起桥梁断裂破坏的危险性最高,此类裂缝的存在严重影响桥梁结构的寿命,必须引起足够的重视。目前多采用环氧砂浆、贴碳纤维布或加贴钢板(条)进行裂缝修复与加固。
断裂力学是强度理论的一个新分枝。它与传统强度理论不同,它研究构件在具有初始缺陷的情况下的裂纹扩展规律,将已存在的裂缝视为边界条件,提出带裂纹构件的设计安全准则,即裂纹的扩展受裂纹尖端应力强度因子K的控制。应力强度因子K超过其临界值Kc,裂纹将扩展并最终可导致结构的破坏[2][3]。研究证明:用断裂力学研究混凝土材料的破坏是行之有效的方法。在役混凝土梁桥中出现的裂纹,完全符合断裂力学的前提。因此,可以运用断裂力学原理来对混凝土梁桥中存在的裂纹进行分析,进而为桥梁维修加固提出裂纹控制方法,保证桥梁承载能力。
本文主要从断裂力学的角度简要分析预应力混凝土现浇箱梁桥底(顶)板裂缝修复与加固的原理。
1混凝土梁中典型裂纹的形式
当混凝土受力时,随着结构内部应力的增大,裂纹端部的应力强度因子也随着增大,当应力强度因子超过混凝土的断裂韧性,裂纹将失稳扩展。根据混凝土的材料特性和梁的受力特点,混凝土梁中的底(顶)板裂纹,一般可以视为I型裂纹,即张开型裂纹。在断裂力学中,按裂纹所处位置,裂纹可以分为中心裂纹、偏心裂纹和边裂纹三种典型的裂纹形式,如图1所示。对于混凝土结构内部的裂纹,在相同的裂纹长度和相同的拉力作用下,边裂纹的应力强度因子最大,最容易断裂扩展[4]。
图1 典型的裂纹形式
3典型裂纹的分析
以对结构影响最为严重的危险性最高的横向裂缝为例进行分析。预应力混凝土现浇箱梁桥在自重和汽车荷载等外部作用下,底(顶)板局部简化为如图2所示的受弯曲的单边裂纹有限板,微观裂纹视为边裂纹。
图2 加固前微观裂纹示意
可求得裂纹端部的应力强度因子为:
①
式中,a为裂纹深度,W为板厚度。取,则当很小时,裂纹端部的应力强度因子可以近似取值为:
② [5][6]
采用环氧砂浆、贴碳纤维布或加贴钢板(条)等修复措施进行裂缝修复与加固,其原理均利用了修复与加固材料的抗拉强度和对混凝土的约束作用,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土变形从而避免裂缝处微观混凝土出现拉应力,提高开裂梁体的极限承载力,使之符合设计。修复与加固后,预应力混凝土现浇箱梁桥在自重和汽车荷载等外部作用下,底(顶)板局部简化为如图3所示的受弯曲的偏心裂纹有限板或中心裂纹有限板,微观裂纹视为偏心裂纹或中心裂纹。
图3 加固后微观裂纹示意
可求得裂纹端部的应力强度因子为:
③
式中,a为裂纹深度,W为板厚度。
表1 偏心裂纹与关系
可知,③式为的增函数,当很小时,裂纹端部的应力强度因子可以近似取值为:
④
同时将①、③式按表1数据绘于同一图中如图4所示。
图4 修复加固前后与关系曲线对比
由上分析,①、③式均为的增函数,但增幅斜率不同。可知,在很小时,采取修复措施(例如涂刷环氧砂浆)后,应力强度因子K由下降至,降幅约10.7%;随的增大,采取修复措施后应力强度因子K降幅也会更大。同时,随着荷载的增加,梁挠度增加,加固材料随梁下挠被动变形,对微观裂纹而言,即使是涂刷一层环氧砂浆,仍可产生强大的拉应力,从而阻止裂纹的扩展,使梁体得到维修加固。
结论
裂纹的出现,使结构的性能开始劣化。随着加载的继续,裂纹的应力强度因子不断地改变,随着裂纹应力强度因子达到临界值Kc,裂纹也就会向梁体内部发展,使混凝土结构产生变形影响使用功能甚至破坏。从上面的分析可以看出,混凝土结构中裂纹的扩展,和混凝土的应力强度因子有着必然的联系。从断裂力学的角度,通过应力强度因子的变化说明了采用环氧砂浆、贴碳纤维布或加贴钢板(条)等措施修复加固梁体是合理的。
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