桥梁裂缝对预应力混凝土箱梁受力的影响*
时间：2023-06-14 09:35:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
石英军
(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)
近年来，由于连续刚构桥具有整体性好、受力合理、适应能力强等优点，得到广泛应用[1-3]。然而，运营过程中，会出现因裂缝等导致的病害，并已有较多研究[4-6]。刘保东等[7]通过模型试验，研究连续刚构桥的扭转与畸变特性，并对比波纹钢腹板与普通混凝土腹板的差异。闫维明等[8]考虑地震作用，通过缩尺模型试验，研究地震作用下的连续刚构桥动力响应特点。曹自俊等[9]分析大型连续刚构桥的病害特点，提出相应加固手段。桂水荣等[10]考虑移动荷载影响，通过ANSYS有限元软件建立桥梁模型，并通过耦合方程进行内力求解。
裂缝是桥梁常见病害，会造成预应力损失、应力集中等情况，降低桥梁承载力。卫星等[11]基于数值模拟，研究连续刚构桥施工过程中腹板开裂的原因和裂缝分布规律，并基于研究结果提出相应防治措施。邓季坤等[12]依托工程案例，探讨预应力混凝土连续刚构桥的裂缝成因和危害，结果表明，竖向预应力张拉滞后是产生裂缝的主要原因。
本文依托工程案例，基于全应变理论离散裂缝模型，对腹板斜裂缝和顶板纵向裂缝对连续刚构桥应力和应变造成的影响进行有限元分析，研究施加移动荷载及由裂缝造成的预应力损失对截面应力分布产生的危害。本文研究成果对工程设计和施工具有指导意义。
本文分析研究桥梁结构中箱梁腹板和顶板裂缝对结构整体承载力的影响。桥梁为刚性结构，箱梁腹板处主要为斜裂缝，顶板处主要为纵向裂缝，选用离散型裂缝模型进行仿真模拟。
离散型裂缝模型主要为离散裂缝模型和膨胀裂缝模型(见图1)，2种模型适用于不同发展阶段，均由变形理论推导而来。离散裂缝模型适用于混凝土开裂时的初始阶段，膨胀裂缝模型适用于混凝土开裂后所处阶段。离散裂缝模型的界面力通过全量理论总变形原理计算，非线性本构关系可在全量理论中给出定义。
图1 裂缝模型
辛集市公路管理处教育路上跨石德铁路立交桥，桥梁长636.5m，孔跨布置为4×30m+3×30m+2×60m(预应力混凝土T构)+3×30m+3×30m+4×30m先简支后连续预应力混凝土箱梁。主桥、引桥均采用整体式布置，主桥桥面宽30.5m，引桥桥面宽23.5m。引桥预应力混凝土连续箱梁小里程侧布置为4×30m+3×30m先简支后连续预应力混凝土箱梁，大里程侧布置为3×30m+3×30m+4×30m先简支后连续预应力混凝土箱梁。以引桥预应力混凝土箱梁为研究对象，分析受力变形特性。
3.1 模型建立
利用有限元软件建立桥梁结构仿真模型，以研究裂缝对桥梁结构正常运营状态的影响。桥梁混凝土出现裂缝后，通过膨胀裂缝模型进行模拟，该模型能较好地反映桥梁开裂后的局部力学特性。
箱梁材料为C50混凝土，通过六面体结构单元进行模拟，模型混凝土抗压强度输入值为22.60MPa，抗拉强度输入值为1.79MPa。模拟裂缝时，为将裂缝放置在期望位置，需在模型产生自重后生成裂缝。裂缝单元通过改变混凝土抗拉强度进行模拟，将1.79MPa改变为0.001MPa，结合裂缝特性，令泊松比为0，同时不同程度地缩减剪切模量和弹性模量。根据桥梁检测报告，斜向裂缝单元和纵向裂缝单元施加位置分别设置在中跨1/4跨径处、中跨跨中顶板下缘。数值模型如图2所示。
图2 数值模型
通过降温法将预应力施加到预应力钢筋上，因该桥梁为对称结构，故有限元模型仅为实际桥梁结构的1/2。查阅相关规范可知，设计荷载设置为公路Ⅰ级，是对控制截面进行等效后的最不利布载，以模拟桥梁承载力极限状态。边界条件设置为对称约束，边跨约束为一般支撑，结合实际情况对桥墩与主梁间进行固结约束。施加荷载由恒荷载、移动荷载、预应力构成，移动荷载通过计算3辆标准车辆获得。通过计算分析正常运营状态下桥梁受力状态研究裂缝对桥梁承载力的影响情况。
3.2 腹板斜裂缝对截面应力分布的影响
根据以往桥梁检测资料，中跨1/4处截面常出现腹板斜裂缝。因此，在有限元仿真模拟中，施加1条腹板斜裂缝，一端位于腹板厚度50cm处，距顶板3.652m，另外一端位于腹板厚度60cm处，距顶板3.849m。桥梁接近承载力极限状态下，控制截面受压区混凝土被压碎，由于箱梁的滞后效应，使截面正应力峰值位于腹板与顶板交界处。因此，通过腹板与顶板交界处的应变情况分析裂缝对混凝土的影响程度。不同节点处腹板斜裂缝对受压区应变影响情况如表1所示。
表1 腹板斜裂缝对受压区应变的影响
由表1可以看出，带裂缝状态下，腹板与顶板交界处受压应变比理想设计状态应变偏小。此外，不同节点处应变差别不同，即腹板厚度对受压区应变产生影响，裂缝对桥梁承载力影响程度与腹板厚度成反比。
混凝土竖向应力变化曲线如图3所示。
图3 混凝土竖向应力变化曲线
由图3a可知，混凝土竖向应力主要为压应力。成桥正常运营状态下，混凝土竖向应力随距顶板距离变化波动不大，总体呈增大趋势，但曲线较平缓；
在腹板斜裂缝状态下，混凝土竖向应力随距顶板距离变化较明显，竖向应力出现先增后减再增趋势，曲线上下起伏较大，说明裂缝使腹板混凝土出现应力集中现象。
由图3b可知，成桥正常运营状态下，曲线较平缓，整体呈下降趋势。而在腹板斜裂缝状态下，竖向应力由初始的1.96MPa变为2.25MPa，变化幅度较大，也出现应力集中和应力重分布现象。与腹板厚度50cm处的裂缝相比可知，腹板厚度越大则竖向压应力越大，应力集中现象越明显。
混凝土剪应力变化曲线如图4所示。腹板厚度50cm处，随距顶板距离的增加，混凝土剪应力出现先增后减的趋势。相比成桥正常运营状态，腹板斜裂缝状态下，剪应力变化速度较快，持平阶段较短暂，很快进入下降阶段。由图4b可知，成桥正常运营状态下在距顶板位置0.8～4.7m内，剪应力基本持平，未出现较明显下降，在距顶板4.7m后曲线变陡，开始快速下降。腹板斜裂缝状态下，出现剪应力重分布现象，在0.8～4.7m处出现较大波动。
图4 混凝土剪应力变化曲线
3.3 顶板纵向裂缝对截面应力分布的影响
活荷载对顶板横向应力的影响如图5所示。顶板横向应力与距梁轴线距离的变化曲线呈抛物线形，桥梁整体处于受压状态，顶板下缘横向应力在梁轴线处和两翼处数值最大，而箱梁顶板与腹板交界处应力储备较小。相比于无车辆荷载作用，施加车辆荷载作用后，顶板下缘横向应力略微偏大，未出现明显差异，且趋势基本一致，可见在正常车辆通行条件下未对桥梁应力分布出现较明显的影响。
图5 活荷载对顶板横向应力的影响
不同预应力损失对横向应力的影响如图6所示。因裂缝产生的预应力损失对顶板下缘横向应力影响较显著。随着预应力损失的增加，顶板下缘横向应力减小，在无预应力条件下，顶板下缘横向应力约为0，部分区域表现为拉应力。
图6 不同预应力损失对横向应力的影响
顶板上缘横向应力对比如图7所示。由图7可以看出，相比于成桥正常运营状态，顶板纵向裂缝使顶板上缘横向应力发生重分布，顶板上缘横向应力不再对称分布，出现轴线两侧应力集中和释放、分布不均现象，表现为裂缝位置出现应力集中，而裂缝相邻位置表现出应力释放现象。裂缝周围的应力集中和应力释放现象导致新裂缝产生，从而损伤梁承载力，加速梁的破坏。由裂缝引起的顶板上缘横向应力重分布不仅发生在腹板位置，还延伸到箱梁悬臂部分，影响范围较大。
图7 顶板上缘横向应力变化曲线
1)带裂缝状态下，腹板与顶板交界处受压应变相比理想设计状态偏小。腹板厚度对受压区应变产生影响，裂缝对桥梁承载力影响程度与腹板厚度成反比。
2)腹板斜裂缝使腹板混凝土出现应力集中和应力重分布现象。混凝土竖向应力随距顶板距离变化较明显，曲线上下起伏较大。
3)由裂缝产生的预应力损失对顶板下缘横向应力影响较显著。随着预应力损失增加，顶板下缘横向应力减小，部分区域表现为拉应力。
4)顶板纵向裂缝使顶板在裂缝位置出现应力集中，而在裂缝相邻位置表现出应力释放现象。裂缝周围的应力集中和应力释放现象，易导致新裂缝产生，从而损伤梁承载力，加速梁的破坏。
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