混凝土孔洞对连续刚构桥刚度的影响分析

摘 要：本文以某大跨度连续刚构桥为背景，通过建模计算，分析了不同截面、截面不同位置的孔洞对桥梁刚度的影响，并得出了一定的结论。

关键词：混凝土；孔洞连续；刚构桥；刚度；

中图分类号：U445.6 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02

一、混凝土蜂窝、麻面、孔洞概述

21世纪以来，国家大兴土木，基础设施建设的繁荣，推动了国家经济的发展。然而，国内的施工单位良莠不齐，导致施工质量缺陷层出不穷。蜂窝、麻面、孔洞是现浇混凝土结构中的常见施工缺陷，几乎所有混凝土结构都会或多或少的出现这些缺陷。

蜂窝、麻面是指混凝土拆模之后，表面局部漏浆、粗糙、存在许多小凹坑的现象，称之为麻面；若麻面现象严重，混凝土局部酥松、砂浆少、大小石子分层堆积，石子之间出现状如蜜蜂窝的窟窿，称之为蜂窝缺陷。混凝土结构的孔洞，是指结构构件表面和内部有空腔，局部没有混凝土或者是蜂窝缺陷过多过于严重。一般工程上常见的孔洞，是指超过钢筋保护层厚度，但不超过构件截面尺寸三分之一的缺陷。

蜂窝麻面一般是在混凝土凝固和拆模期间产生，所以一般出现在结构的表面，严重影响结构的美观。另外，由于蜂窝麻面的存在，使得钢筋的保护层厚度变薄，而且混凝土疏松，水分容易侵入引起钢筋的锈蚀，这严重影响了结构的耐久性，降低了结构的寿命。孔洞不仅仅出现在结构表面，有时也会隐藏在结构的内部，肉眼无法检测。与蜂窝麻面相比，孔洞对结构的威胁更大，孔洞减小了结构的有效截面，降低了结构的刚度，直接影响结构的承载力。

本文以某大跨度预应力混凝土连续刚构桥为例，通过Ansys建立实体模型，计算分析孔洞对桥梁刚度的影响。

二、计算分析

（一）建立Ansys实体计算模型

某大跨度预应力混凝土连续刚构桥，其跨径布置：83.2m+152m+83.2m，箱单室直腹板结构。支点梁高9.8m，跨中梁高4.8m。梁高按圆曲线变化，曲线半径506.6m。边跨直线段长9m。箱梁顶宽12.0m，底宽8.2m，顶板厚0.45m，腹板厚分别为0.45m、0.6m、0.9m、1.0m，底板厚由跨中的0.40m按圆曲线变化至支点梁根部的1.2m，中支点处加厚到1.7m。

为了准确的分析不同位置截面损伤对整个桥梁结构刚度的影响，用Ansys建立半个桥梁的实体模型，由于只是分析结构刚度的变化，所以模型中没有建入预应力筋。混凝土单元材料采用solid45，弹性模量E=3.65×105MPa，混凝土密度为2500Kg/m3，泊松比为0.2。全桥单元划分尺寸为0.5m，截面孔洞位置单元划分尺寸为0.2m。

半桥的ANSYS实体模型

中跨跨中的位移是现实中施工的主要控制点，结构的刚度的变化主要体现在跨中处的位移变化。模型只计算结构自重情况下的跨中挠度，通过查看不同工况下跨中位移的变化来分lm；析结构的刚度的变化。截面损伤的模拟是截面出挖出0.2×0.2×0.2～0.4×0.4×0.4m立方体小孔洞，孔洞数量按每个截面的5%考虑。

模型模拟的截面孔洞共五处：边跨跨中、边跨1/4处、中间支点处、中跨1/4处和中跨跨中。每个截面的孔洞位置分为3个部位：顶板、腹板、底板。模型计算共分为四个工况计算：顶板孔洞、腹板孔洞、底板孔洞、全截面孔洞。全截面孔洞是顶板、腹板、底板孔洞之和，孔洞面积占计算截面的15%。

1、工况一：截面顶板孔洞

模型中顶板孔洞分布在计算截面纵桥向的8m范围内。

不同截面顶板孔洞对桥梁跨中位移的影响。从结果可以看出，跨中位移的变化量依次是：中墩支点>中跨跨中>边跨1/4处>边跨跨中>中跨1/4处。

跨中位移的变化量都非常小，除中墩支点处外，都小于总变化量的0.2%，其中中墩支点顶板孔洞导致跨中位移的变化最大，也只有0.63%。只有中跨1/4处顶板出现孔洞时，跨中位移上拱，其它部位的孔洞均是导致跨中下挠。

2、工况二：截面腹板孔洞

腹板孔洞每排分两列，分别分布于两片腹板之中，孔洞数量与顶板孔洞相等，都是计算截面处的5%。

不同截面腹板孔洞对桥梁跨中位移的影响，从结果可以看出，跨中位移的变化量依次是：中墩支点>中跨跨中>边跨跨中>边跨1/4处>中跨1/4处，与顶板孔洞的影响相一致，只是各个截面的变化量略小。

跨中位移的变化量都非常小，除中墩支点外，大都小于总变化量的0.2%，其中中墩支点顶板孔洞导致跨中位移的变化最大，也只有0.49%。边跨1/4处腹板出现孔洞可导致跨中变形减小，减小幅度有0.15%。

3、工况三：截面底板孔洞

模型中底板孔洞小立方体的分布除高度外与顶板孔洞基本一致。

不同截面底板孔洞对桥梁跨中位移的影响，从计算结果上可以看出，跨中位移的变化量依次是：中墩支点>中跨跨中>边跨1/4处>边跨跨中>边跨1/4处。

底板孔洞对跨中位移的影响基本与顶板孔洞的影响相一致，这说明结构的刚度变化跟孔洞在某一截面的位置关系不大，而是跟该截面的位置有关。

4、工况四：全截面孔洞

模型中全截面孔洞的模拟是将顶板、腹板和底板的孔洞完全放到一个截面中，就是单个截面有15%的截面损伤。

不同截面的全截面孔洞对桥梁跨中位移的影响，从计算结果上可以看出，跨中位移的变化量依次是：中墩支点>中跨跨中>边跨1/4处>边跨跨中>边跨1/4处。

从全截面孔洞的位移变化百分比可以看出，各截面的位移变化趋势与顶板、腹板和底板孔洞时一致，只是数值幅度相对较大，但并不是简单的三个位置孔洞影响的简单加和，变化量比三者之和要小。

三、结论

本文分析了蜂窝、麻面、孔洞等现浇混凝土结构的外观质量问题，并利用ANSYS建模分析了不同截面不同位置的孔洞对结构产生的影响，得到的主要结论有：

（一）截面损伤后，跨中位移的变化量依次是：中墩支点>中跨跨中>边跨1/4处>边跨跨中>边跨1/4处。

（二）底板孔洞对跨中位移的影响基本与顶板孔洞的影响相一致，这说明结构的刚度变化跟孔洞在某一截面的位置关系不大，而是跟该截面的位置有关。相对底板和顶板孔洞的影响来说，腹板孔洞结构的刚度影响相对较小。

（三）从全截面孔洞的位移变化百分比可以看出，各截面的位移变化趋势与顶板、腹板和底板孔洞时一致，只是数值幅度相对较大，但并不是简单的三个位置孔洞影响的简单加和，变化量比三者之和要小。

（四）在截面损伤达到5%时，除中墩支点除位移变化率达到0.5%外，其他截面的位移变化率均小于0.2%，可见孔洞对桥梁整个结构的刚度影响极小，可以忽略。

参考文献：

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