温度场作用下混凝土桥塔Ⅰ型裂纹开裂面应力场分析.pdf
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1、5 O 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 6期 温度场作用下混凝土桥塔 I型裂纹开裂面应力场分析 任翔 。 黄 平 明 ( 1 西安科技大学建筑与土木工程学院, 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ; 2 长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室, 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 : 为 了确定温差作用下混凝土桥塔开裂面的应 力分布状态 , 采用奇异单 元模拟裂 纹尖端应力场 的奇异 性 , 建立相应计算 I型裂纹开裂面应力分布的有限元模 型。通过数值 计算 , 考察有 限元模 型中裂纹 尖端附近 区域 网格参数的变化对应力 场计算精度 的影 响 , 确定各个参数的敏感程度 , 发
2、现在裂纹尖 端区布置奇异 单元时 , 第 1行 单元 半径的大小对尖端 应力 场有较 大的影 响。计算 3 种 温差工况 下混凝 土桥塔未 开裂 和开裂 2种 状态下 内表面 的应力分布状态和不同裂纹 长度下开 裂面 的应 力分布变 化。结果表 明, 开裂结 构整个开裂 面应力均较未 开裂的应 力小 , 随着裂纹长度不 断增 大, 整个开裂面的应 力不 断减小 , 裂纹开 口端附近应力零区域有不断扩大的趋势 。 关键词 : 桥 梁工程; 桥 塔 ; 温度场 ; 裂纹 ; 应力场 ; 有 限元 法 中图分类号 :U4 4 1 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7
3、( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 5 0 0 4 1 前 言 混凝土断裂力学是断裂力学的一个新的分支 , 它是指材料或构件 中存在着宏观裂纹 , 用弹性力学 和弹塑性力学理论分析裂纹产生的条件及裂纹发展 规律的一门学科l_ 1 。断裂力学理论是在静态情况下 金属材料断裂研究 中得 以建立和完 善的, 后来逐渐 被用于工程断裂分析中, 特别是在混凝土构件开裂、 压碎 和钢结 构 的疲劳 开裂 等一 系列工 程 问题 中得 到 较好的应用 。1 9 6 1年 , Ka p l a n M F l_ 2 首次将线弹性 断裂力学与混凝土 的断裂试验相结合进行研究 , 并 将研究成果发表, 引起
4、了学术界 的高度重视。此后 , 有关学者结合试验成果进行 了大量研究工作 叫 , 研究 中发现原来适用于金属的一些基本假定 、 理论 及试验方法并不能很好地适 用于混凝土 , 因此根据 混凝土自身的特点 , 提出了适合混凝土的新假定、 新 理论及新的试验方法。并通过大量 的试验进行了验 证 , 取得 了很多有价值的研究成果 。 混 凝土结 构 开裂后 , 由于受 到温度变 化 、 冰融循 环等因素的反复作用裂缝不断扩展, 病害 日益加重 , 使结构的承载力和使用寿命逐渐降低 , 直至结构丧 失使用能力 , 因此, 预防、 控制混凝土结构开裂是迫 切需要解决 的技术难题 。本文在某悬索桥混凝土桥
5、 塔测试温度资料的基础上, 分析正温差作用下桥塔 塔壁 内表面未开裂和开裂 2种状态下开裂面的应力 分布状态及不 同裂纹长度下开裂 面的应力分布变 化。其研究成果可为今后分析反复温差作用下裂纹 扩展行为提供参考依据。 2 混凝土裂纹有限元模型及网格划分 2 1 工程 概况 某双塔单跨钢箱梁悬索桥桥塔采用 H形 空心 矩形箱结构 , 塔高分别 为 1 4 2 2 7 m 和 1 1 2 4 1 5 m, 桥塔塔肢为横桥向 5 m等宽 , 顺桥 向宽度按 1 0 0:1 的斜率渐变 , 由塔 顶 6 m 渐变至北 塔塔肢 承 台顶 8 2 4 8 m、 南塔塔肢承台顶 8 8 4 5 m。塔肢裂缝
6、主要 出现在横桥 向 2 个塔壁 内、 外侧面中心线上 , 中心线 附近区域也有少量的裂缝 , 裂缝主要集 中在 中横梁 附近 , 距上横梁 1 5 m以下 、 距桥 面 2 m 以上的范围 内。内表面裂缝较少 , 长度较短 , 外表面裂缝较多 , 长度较长。而塔肢顺桥 向 2个塔壁 内、 外侧 面上无 裂缝 产生 。 2 2 有限元模型 裂纹分为 3种类型 , I型为张开型, 型为滑开 型 , 型为撕裂 型 4 。混凝土桥塔结构沿高度方 向开裂主要是 由于横 向( 截面切向) 拉应力作用而开 裂 , 属 工型裂纹 。混凝 土桥塔开裂 面应力场分布按 二维平面来计算 , 见图 1 ( a )
7、所示 , 图中所示结 构为 该悬索桥混凝土桥塔 的横断面, 裂纹位置在东侧塔 壁 内表面 中线处, 裂纹长 3 5 7 mm, 宽 0 6 mm, 为 直线裂纹( 裂纹面宽度是指东侧塔壁 内表面宽度) 。 收稿 日期 : 2 0 1 1 一O 4 2 0 基金项 目: 陕西教育厅科研计划项 目资助( 1 1 J K0 8 8 7 ) ; 西安科技大学培育基金项 目( 2 0 1 0 0 3 6 ) 作者简介 : 任翔 ( 1 9 7 9 一) , 男 , 讲师 , 2 0 0 3年毕业 于内蒙古工业大学土木工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 6年毕业于长安 大学桥梁与隧道工程专业 工学硕士
8、 , 2 0 0 9年毕业 于长安大学桥梁与隧道工程专业 , 工学博士 ( E ma i l : r e n x i a n g 7 9 8 1 6 3 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 温 度场作用下混凝土桥塔 I型裂纹开裂面应力场分析 任翔 , 黄平明 5 3 An a l y s i s o f Cr a c k i ng S u r f a c e S t r e s s Fi e l d o f Ty p e
9、I Cr a c k o f Co n c r e t e Br i d g e To we r Un d e r Ac t i o n o f Te mpe r a t u r e Fi e l d REN Xi a n g ,H UANG Pi ng mi n g。 ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g,Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ,Xi a n 7 1 0 0
10、5 4,Ch i n a ;2 Ke y La b o r a t o r y f o r Br i d g e a n d Tu n n e l o f S h a a n x i Pr o v i n c e ,Ch a n g a n Un i v e r s i t y ,Xi a n 7 1 0 0 6 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :To d e t e r mi n e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n c o n d i t i o n s o f t h e c r a c k i n g s u r
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