異型連續(xù)箱梁橋0 號(hào)塊裂縫分析

王 強(qiáng)

(海峽（福建） 交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350004)

由于連續(xù)梁橋0 號(hào)塊構(gòu)造和受力復(fù)雜， 再加上0 號(hào)塊梁端具有梁體高、鋼筋分布密集等因素，使得0 號(hào)塊容易出現(xiàn)問題， 所以研究0 號(hào)塊的裂縫對(duì)于確保橋梁的安全具有重要意義。結(jié)合商丘市歸德路異型連續(xù)箱梁橋，該異型連續(xù)梁橋具有橋面寬度大、截面三室尺寸大小不一、橋面逐漸變寬等特點(diǎn)，構(gòu)造更為復(fù)雜，運(yùn)用MIDAS/FEA將混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置為非線性的材料進(jìn)行裂縫分析，對(duì)0 號(hào)塊梁段開裂部位加強(qiáng)處理。保證橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

1 工程概況

本橋?yàn)?50 + 82 + 50) m 三跨預(yù)應(yīng)力混凝土異型連續(xù)箱梁橋，按照預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載為公路一級(jí)，采用懸臂和滿堂支架聯(lián)合施工。采用單箱三室不對(duì)稱截面，上部結(jié)構(gòu)為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬29.8m 變化至30.76m，底板寬22.3m 變化至23.26m，外翼緣板懸臂長(zhǎng)3.75 m，箱梁頂板和底板都設(shè)置1.5%的雙向橫坡。 箱梁根部梁高5m，左右兩側(cè)梁高4.45m。 懸壁端部厚0.22m，根部厚0.55m。箱梁頂板厚0.3m。梁高按照二次拋物線變化。 0 號(hào)塊立剖面圖和0 號(hào)塊左右兩端橫斷面圖分別如圖1、2、3 所示。

2 有限元模型

根據(jù)圣維南原理，0 號(hào)塊的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的應(yīng)力有關(guān)， 即遠(yuǎn)離0 號(hào)塊區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其應(yīng)力分布的影響可以忽略不計(jì)。 本文分析將0 號(hào)和1 號(hào)塊段作為研究對(duì)象。 通過MIDAS / Civil 建立橋梁整體模型如圖4， 運(yùn)用模型中移動(dòng)荷載追蹤器追蹤到0 號(hào)塊梁段最不利彎矩荷載和剪力荷載。

圖1 0 號(hào)塊立剖面圖

圖2 0 號(hào)塊左端橫斷面圖

圖3 0 號(hào)塊右端橫斷面圖

采用有限元程序MIDAS/FEA 建立本橋0 號(hào)塊的局部分析模型， 混凝土結(jié)構(gòu)的非線性材料模型采用了全應(yīng)變裂縫模型，受壓裂縫模型采用了Thorenfeldt 模型，受拉裂縫模型采用了Constant 模型。 預(yù)應(yīng)力鋼束采用范梅賽斯模型。在其兩個(gè)端部截面形心處建立主節(jié)點(diǎn)，并以該截面上其余節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)， 建立主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的剛性連接。 將最不利彎矩荷載和剪力荷載作為靜力荷載加載到0 號(hào)塊梁段左右截面的主節(jié)點(diǎn)上。 0 號(hào)塊有限元模型如圖5 所示，分別計(jì)算以下兩種工況:

圖4 橋梁整體模型

圖5 0 號(hào)塊有限元模型

工況一:運(yùn)營(yíng)階段0 號(hào)塊局部裂縫分析，考慮自重、預(yù)應(yīng)力、二期荷載、活荷載作用下0 號(hào)塊最不利彎矩效應(yīng)組合。

工況二：運(yùn)營(yíng)階段0 號(hào)塊局部裂縫分析，考慮自重、預(yù)應(yīng)力、二期荷載、活荷載作用下0 號(hào)塊最不利剪力效應(yīng)組合。

根據(jù)不同的荷載工況， 從整體模型中提取相應(yīng)截面的內(nèi)力施加于局部模型中剛性連接的主節(jié)點(diǎn)處。 整體模型中提取的內(nèi)力情況如表1 所示。

表1 作用荷載取值

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 裂縫圖形分析

計(jì)算可得兩種工況下0 號(hào)梁段不同荷載系數(shù)下裂縫分布情況，兩種工況下開裂形式和變化規(guī)律較為相似，由于篇幅所限選擇工況1 進(jìn)行裂縫分析， 故本文僅列出工況1 下的幾種不同荷載系數(shù)（0.1,0.2,0.35,0.5,0.65,0.8，0.95）其中四個(gè)荷載系數(shù)（0.2,0.5,0.8,0.95）作用下的裂縫圖形如圖6。0 號(hào)塊左右兩端頂板與腹板交界處最先產(chǎn)生裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸向0 號(hào)塊中間位置擴(kuò)展。之后0 號(hào)塊左右端三室頂板中心也開始產(chǎn)生裂縫，最后0 號(hào)塊橫隔板與右側(cè)頂板交界、 橋面變寬處一側(cè)翼緣板和頂板與翼緣板交界處會(huì)產(chǎn)生裂縫。 最終由于開裂較為嚴(yán)重，橋梁產(chǎn)生破壞。

圖6 工況1作用下裂縫圖形

3.2 裂縫局部分析

通過位移云圖分析可得0 號(hào)塊左右兩側(cè)三室頂板中心和橋面變寬一側(cè)翼緣板處位移較大， 選取7 個(gè)位移較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部裂縫分析， 如圖7 位移云圖中標(biāo)注有位移的各個(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)左側(cè)從下往上節(jié)點(diǎn)號(hào)依次為10654、10471、10311，右側(cè)從下往上依次為20095、25756、20044，翼緣板階段節(jié)點(diǎn)號(hào)為22942。

圖7 0 號(hào)塊位移云圖

圖8 荷載系數(shù)-應(yīng)變關(guān)系曲線圖

從圖8 可知，隨著荷載的增加，各點(diǎn)的應(yīng)變呈非線性關(guān)系。 荷載系數(shù)為小于0.2 時(shí)，0 號(hào)塊兩側(cè)三室頂板中心的六個(gè)節(jié)點(diǎn)處及橋面變寬一側(cè)翼緣板一個(gè)節(jié)點(diǎn)處還沒有開裂，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性關(guān)系，隨著荷載的逐漸增加，七個(gè)節(jié)點(diǎn)開始產(chǎn)生裂縫，之后呈非線性關(guān)系。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)開裂過程中，0 號(hào)塊右側(cè)三室頂板中心及橋面變寬一側(cè)翼緣板處的應(yīng)變始終大于0 號(hào)塊左側(cè)三室頂板中心位置處。為了能夠比較清晰了解裂縫密集程度及開裂方向，下面對(duì)七個(gè)節(jié)點(diǎn)附近部位進(jìn)行裂縫局部分析，如圖10 所示為局部裂縫平面圖。圓片的法向代表開裂方向，垂直于紙面方向?yàn)樨Q向方向（梁高方向），縱橋向方向和橫橋向方向如圖9 所示。

圖9 橋向方向

圖10 局部裂縫平面圖

當(dāng)荷載系數(shù)為0.95 時(shí)，對(duì)應(yīng)變較大的七個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的裂縫分析可知，0 號(hào)塊左側(cè)三室頂板中心裂縫分布均勻，主要產(chǎn)生沿梁高方向的豎向裂縫，右室頂板中心和左室頂板中心還會(huì)有少量的沿橫橋向方向的橫向裂縫；右側(cè)裂縫密集， 右室頂板中心和左室頂板中心主要是產(chǎn)生沿橫橋向方向的橫向裂縫， 中室頂板中心既產(chǎn)生了沿橫橋向方向的橫向裂縫也產(chǎn)生了沿梁高方向的豎向裂縫；翼緣板處裂縫分布均勻比較密集， 裂縫主要是沿橫橋向的橫向裂縫。 設(shè)計(jì)和施工過程中可以根據(jù)裂縫產(chǎn)生方向布置相應(yīng)鋼筋，防止薄弱部位的開裂。

4 結(jié)論和建議

（1） 裂縫最先產(chǎn)生于0 號(hào)塊左右兩側(cè)頂板與腹板交界處，隨著荷載的增加裂縫向中間擴(kuò)展，0 號(hào)塊橫隔板與右側(cè)頂板交界處、 橋梁變寬處一側(cè)翼緣板和腹板與頂板交界處、三室頂板中心處都會(huì)產(chǎn)生裂縫。在設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)開裂部位進(jìn)行加強(qiáng)處理， 避免局部的破壞導(dǎo)致整體破壞，保證整體穩(wěn)定性。

（2） 在設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)0 號(hào)塊左側(cè)三室頂板中心位置處的豎向裂縫主要采用布置橫向和縱向鋼筋加強(qiáng)處理； 對(duì)于0 號(hào)塊右側(cè)三室頂板中心處和橋面變寬一側(cè)翼緣板處的橫向裂縫主要采用布置縱向鋼筋加強(qiáng)處理。計(jì)算結(jié)果已直接應(yīng)用于商丘市歸德路異型連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程。