預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋跨中橫隔板裂縫成因分析

袁義華，吳 南

（1.中鐵七局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)由于其在恒活載作用下內(nèi)部受力合理、剛度大、整體性好、行車(chē)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)橋梁建設(shè)中廣泛使用。但連續(xù)梁橋在修建及使用過(guò)程中普遍會(huì)出現(xiàn)各種形式的裂縫，在橫隔板中較為顯著。橫隔板能夠增加橋梁剛度，對(duì)其變形有著一定的限制作用，而橫隔板的裂縫會(huì)影響橋梁的安全性。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在用的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋普遍在跨中橫隔板板處出現(xiàn)裂縫，主要分布在人孔周?chē)?，?shù)量較多，寬度不大[1]。裂縫的擴(kuò)展可能導(dǎo)致截面剛度下降，撓度增大。而撓度的增大進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力偏離設(shè)計(jì)時(shí)的狀態(tài)，截面受力更加不合理，裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，使橋梁逐漸喪失安全性[2]。基于橫隔板出現(xiàn)的裂縫問(wèn)題，文章通過(guò)MIDAS/CIVIL和ABAQUS等有限元軟件對(duì)某座多跨連續(xù)梁橋進(jìn)行有限元分析，觀察跨中橫隔板受力情況的變化，進(jìn)而分析裂縫成因。

1 工程概況

文章以某大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌蛑髁簽閱蜗潆p室直腹板截面，分左右兩幅布置，單幅橋?qū)?6.9m，兩幅之間箱梁頂板由2m寬濕接縫聯(lián)系，主梁總寬33.8m。箱梁通過(guò)結(jié)構(gòu)找縱、橫坡，頂板橫坡2%，底板水平，布置形式為雙向六車(chē)道+非機(jī)動(dòng)車(chē)道+人行道。橋梁跨中橫斷面如圖1所示。在其建成投入使用后對(duì)其內(nèi)部橫隔板進(jìn)行裂縫檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)跨中橫隔板普遍存在裂縫。橋梁跨中橫隔板橫截面如圖1所示。

2 有限元模擬

進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，先使用MIDAS CIVIL計(jì)算出在施加荷載作用下局部模型截面處的內(nèi)力值，再將此內(nèi)力值作為截面荷載加載到ABAQUS的實(shí)體模型截面上。根據(jù)圣維南原理，分布在結(jié)構(gòu)某截面上的應(yīng)力，當(dāng)此截面距離荷載加載處較遠(yuǎn)時(shí)，其大小基本只與荷載的合力和合力矩有關(guān)。荷載在加載處的分布只會(huì)影響荷載作用區(qū)的應(yīng)力分布，距離較遠(yuǎn)處的應(yīng)力分布影響可以忽略。本研究中此截面距離跨中橫隔板截面較遠(yuǎn)，其應(yīng)力分布影響可以忽略[3]。

2.1 全橋模型

采用MIDAS CIVIL建立全橋模型，如圖2所示。模型建立時(shí)所采用的主要材料參數(shù)如下：全橋采用C55混凝土；抗拉強(qiáng)度為2.74MPa；密度為2430kg/m3；彈性模量為35500MPa；泊松比為0.2；線膨脹系數(shù)為1×10-5；鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1860MPa。

2.2 局部模型及網(wǎng)格劃分

由于橋梁整體結(jié)構(gòu)較為龐大，文章截取其中一跨利用ABAQUS軟件建立了局部實(shí)體模型。該局部模型采用C3D8R單元類型，共有28171個(gè)單元。ABAQUS局部模型主要參數(shù)如表1～表3所示。

圖1 橋梁跨中橫隔板橫截面圖（單位：mm）

圖2 橋梁整體模型圖

表1 混凝土損傷塑性主要參數(shù)表

表2 混凝土損傷塑性受壓行為參數(shù)表（部分）

表3 混凝土損傷塑性受拉行為參數(shù)表（部分）

在對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于非重點(diǎn)研究的部分盡量減少劃分的網(wǎng)格數(shù)，以提高計(jì)算效率?？紤]到橫隔板人孔周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，對(duì)孔邊的網(wǎng)格做了加密處理。

3 成因分析

跨中橫隔板普遍出現(xiàn)裂縫主要是因?yàn)槠渚植坷瓚?yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度?？缰袡M隔板一般厚度較小，容易出現(xiàn)裂縫。為了方便成橋之后的橋梁檢修工作，一般的連續(xù)箱梁的橫隔板都會(huì)設(shè)置人孔，人孔的存在會(huì)導(dǎo)致橫隔板在橋梁使用過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，一旦局部拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度就會(huì)導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

橫隔板裂縫主要是成橋前裂縫和成橋后裂縫，前者主要是由混凝土收縮、施工和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐傻?，后者是由溫度?yīng)力、車(chē)道偏載等荷載因素使橫隔板局部拉應(yīng)力過(guò)大超過(guò)導(dǎo)致的。文章中主要從溫度應(yīng)力和車(chē)道活載這兩個(gè)可能導(dǎo)致裂縫形成的荷載因素進(jìn)行有限元模擬分析，觀察人孔周?chē)瓚?yīng)力分布情況，對(duì)于拉應(yīng)力較大可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的工況考慮采用擴(kuò)展有限元來(lái)模擬人孔周?chē)芽p的擴(kuò)展情況[4]。

3.1 溫度應(yīng)力

在變截面連續(xù)箱梁橋中，溫度應(yīng)力是其中重要的一個(gè)因素。相關(guān)研究表明，溫度應(yīng)力對(duì)于混凝土橋梁裂縫的影響甚至超過(guò)了活載應(yīng)力。橋梁在自然環(huán)境中，會(huì)受到來(lái)自太陽(yáng)的輻射，又由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能較差，導(dǎo)致橋梁表面產(chǎn)生明顯的溫升。而橋梁內(nèi)部溫度保持不變，這就使橋梁橫截面產(chǎn)生了不均勻的溫度場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生了溫度梯度[5]。除此之外，所處環(huán)境溫度全年也在不停地發(fā)生變化。由冬季到夏季環(huán)境溫度升高，這種溫度變化使橋梁整體的溫度都發(fā)生了變化。前者溫度變化特點(diǎn)是作用于局部、分布不均勻，后者則是作用于整體、分布均勻[6]。

在進(jìn)行溫度應(yīng)力模擬時(shí)考慮兩種情況：（1）由于日照等情況造成橋梁頂?shù)装宄霈F(xiàn)溫差。（2）外部環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的橋梁整體溫度升高（或降低）。對(duì)于由日照造成的溫差采用施加頂板溫升來(lái)進(jìn)行模擬，整體溫升（溫降）則通過(guò)系統(tǒng)溫度的改變以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于情況（1），對(duì)頂板分別進(jìn)行溫升5℃、10℃、15℃，觀察人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力。對(duì)于情況（2），對(duì)模型施加整體溫升10℃、20℃、30℃，觀察人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力。頂板溫升15℃的ABAQUS模擬計(jì)算云圖如圖3所示，整體溫升30℃的ABAQUS模擬計(jì)算云圖如圖4所示。

圖3 頂板溫升15℃

圖4 整體溫升30℃

由ABAQUS模擬計(jì)算云圖可以看出，頂板出現(xiàn)溫升時(shí)在人孔上方存在很大的拉應(yīng)力。頂板和底板之間存在的溫差導(dǎo)致橫隔板溫度分布不均勻，由于上方變形大于下方變形，強(qiáng)制下方混凝土產(chǎn)生形變，因此混凝土產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。在頂板溫升15℃的情況下，人孔周?chē)植孔畲罄瓚?yīng)力達(dá)到2.78MPa，甚至超過(guò)了C55混凝土的抗拉強(qiáng)度（2.74MPa），可能會(huì)產(chǎn)生裂縫。整體溫升使得橫隔板也產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，由于橫截面溫度分布均勻，橋梁整體都發(fā)生了均勻的形變，因此產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對(duì)較小。在整體溫升30℃的情況下人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力為1.51MPa，未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)裂縫的可能性較低。

不同溫升情況人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力如表4所示。與整體溫升相比，隨溫度的升高，頂板溫升情況下人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力要大很多，并且增加速度更快。

表4 不同溫升情況人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力

3.2 車(chē)道活載

對(duì)于連續(xù)梁橋，車(chē)道活載也是可能導(dǎo)致橫隔板產(chǎn)生裂縫的一個(gè)重要因素。尤其是當(dāng)發(fā)生偏載時(shí)，會(huì)使橋梁橫橫截面產(chǎn)生一定的扭矩，進(jìn)而增大橫隔板橫截面的橫向拉應(yīng)力，導(dǎo)致橫隔板出現(xiàn)縱向裂縫。

進(jìn)行有限元分析時(shí)主要對(duì)車(chē)道滿載以及車(chē)道偏載進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬得出在車(chē)道滿載時(shí)人孔周?chē)畲罄瓚?yīng)力為0.92MPa，而偏載時(shí)的最大拉應(yīng)力為0.95MPa，二者產(chǎn)生的拉應(yīng)力都較小，不足以引起橫隔板裂縫。

3.3 其他因素

（1）混凝土收縮。文章中箱梁主體采用C55混凝土，屬于高強(qiáng)混凝土，在拌制過(guò)程中會(huì)較普通混凝土產(chǎn)生更大的體積收縮，由于跨中橫隔板較薄，模板可能會(huì)阻礙混凝土的收縮，容易造成裂縫的出現(xiàn)。

（2）振搗方式不當(dāng)。施工人員在澆筑混凝土過(guò)程中若未采用適當(dāng)?shù)恼駬v方式，可能會(huì)使混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成表面浮漿、分層離析的現(xiàn)象，使混凝土出現(xiàn)裂縫。

（3）澆筑時(shí)表面與內(nèi)部產(chǎn)生溫差。在澆筑完混凝土后由于大體積混凝土表面散熱較快，而內(nèi)部散熱較慢，因此形成內(nèi)外溫差?；炷羶?nèi)部承受壓力而外部承受拉力，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

（4）混凝土拆模后養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。混凝土在拆除模板后需要在一定的溫度和濕度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，若未保持適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度則會(huì)使水分蒸發(fā)過(guò)快，造成水泥水化不完全，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土在受力過(guò)程中出現(xiàn)裂縫。

4 橫隔板裂縫防護(hù)措施

（1）摻入適量膨脹劑。在混凝土拌制過(guò)程中摻入適量的膨脹劑，可以在一定程度上抑制混凝土在水化過(guò)程中的體積收縮，有利于減少混凝土初期的收縮裂縫。

（2）橋梁設(shè)計(jì)時(shí)在跨中橫隔板處設(shè)置適量的橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋并在人孔處加強(qiáng)鋼筋布置?？缰袡M隔板在受力過(guò)程中出現(xiàn)裂縫主要是由于所受拉應(yīng)力超過(guò)其混凝土抗拉強(qiáng)度，因此設(shè)置適量的預(yù)應(yīng)力鋼筋可以在一定程度上減少橫隔板拉應(yīng)力，降低裂縫出現(xiàn)的概率。

（3）對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的橫隔板表面微裂縫，可以對(duì)其表面進(jìn)行修補(bǔ)以及涂層處理，這樣可以防止橫隔板內(nèi)部進(jìn)一步發(fā)生病害，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命[7]。

（4）在施工過(guò)程中加強(qiáng)施工質(zhì)量的監(jiān)管，減少因混凝土振搗方式不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)不到位等施工因素造成的裂縫。

（5）在陽(yáng)光較充足時(shí)，經(jīng)常對(duì)橋面進(jìn)行灑水等降溫處理，以縮小頂?shù)装鍦夭?，減小由溫差導(dǎo)致的拉應(yīng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋跨中橫隔板的裂縫成因進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致橫隔板出現(xiàn)裂縫的原因主要是混凝土承受的拉應(yīng)力超過(guò)了其自身抗拉強(qiáng)度。在分別施加頂板溫升、整體溫升以及車(chē)道活載的情況下，橫隔板人孔上方均出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象。三者之中頂板溫升所造成的拉應(yīng)力最大，車(chē)道活載最小。在頂板溫升15℃的情況下局部拉應(yīng)力達(dá)到2.78MPa，甚至超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土被拉裂。此外還存在一些非荷載因素，如混凝土收縮、振搗及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)?。文章主要分析幾種荷載因素單獨(dú)作用下對(duì)跨中橫隔板裂縫的影響，而實(shí)際情況通常是多種因素的耦合作用，其應(yīng)力分布情況也會(huì)更為復(fù)雜。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，可以在裂縫易出現(xiàn)的地方加強(qiáng)鋼筋布置；在裂縫出現(xiàn)后要及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行加固處理，以減少裂縫帶來(lái)的損害。