在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析

羅輝

摘要：使用熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析方法以及統(tǒng)計氣象資料估計橋梁溫度分布方法局限于定性分析，使梁橋界面受力點正應(yīng)力與實際情況不符，可能會導(dǎo)致開裂仿真結(jié)果不精準(zhǔn)。文章針對該問題，提出了在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法，在平面坐標(biāo)系中分析箱梁橋應(yīng)力狀態(tài)，確定豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載是影響在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要因素，并使用Ansys軟件對混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫進(jìn)行模擬分析。通過構(gòu)建實體仿真模型，充分考慮恒載荷和預(yù)應(yīng)力，模擬三種不同溫度模式，并結(jié)合頂板四個角溫度分布情況，組合成三種工況，分析主拉應(yīng)力等值線圖，真實反映開裂方向。由實驗結(jié)果可知，使用該仿真方法獲得的受力點頂面、底面正應(yīng)力的研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：在建預(yù)應(yīng)力;混凝土;連續(xù)箱梁橋;開裂過程;仿真分析

中圖分類號：U448.21⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.040

文章編號：1673-4874（2021）01-0146-05

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁是梁橋結(jié)構(gòu)中最常見的一種結(jié)構(gòu)，其截面抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)在施工及使用中穩(wěn)定性好，該方法適應(yīng)性強(qiáng)，在橋梁工程中應(yīng)用十分活躍。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)了很多問題，其中最突出的就是普遍出現(xiàn)裂縫。根據(jù)不完全統(tǒng)計，混凝土箱梁橋中幾乎都存在或大或小的裂縫[2]。盡管混凝土中也存在裂縫，但一些裂縫的存在和發(fā)展，在一定程度上會削弱相應(yīng)部位的承載能力，還會產(chǎn)生保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、耐久性差等現(xiàn)象，從而影響橋梁的正常使用，縮短其使用壽命。本文研究了橋梁使用中出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫和病害，并對其進(jìn)行了分析與修復(fù)。

以往的研究中，既對橋梁結(jié)構(gòu)的傳熱問題進(jìn)行了研究，也對后張混凝土箱梁豎向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了研究，并根據(jù)熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析了連續(xù)箱梁開裂過程。所得研究結(jié)果可有效地簡化連續(xù)箱梁橋豎向變形一維問題，但溫度荷載變化過程還沒有得到詳細(xì)分析。通過對橋梁溫度分布特征統(tǒng)計，導(dǎo)出了組合梁上下表面最大溫差近似方程，使用該方法利用線性溫度分布特點，雖然能夠得到連續(xù)箱梁橋溫差應(yīng)力，但開裂過程需要從豎向預(yù)應(yīng)力方向展開研究，因此仿真結(jié)果不具有代表性。本文提出在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法，通過構(gòu)建仿真模型，從豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載兩個方向展開分析，合理分析混凝土連續(xù)箱梁橋開裂原因。

1在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂因素

雖然使混凝土連續(xù)箱梁橋開裂因素有很多，但可以將其分為豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載兩大類，豎向預(yù)應(yīng)力是在荷載作用下造成連續(xù)箱梁橋彎曲的主要作用力。溫度荷載指的是箱梁頂板受到驟升、驟降溫度影響，箱梁頂板反復(fù)脹縮，內(nèi)、外壁出現(xiàn)溫差，導(dǎo)致腹板內(nèi)板和外板出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力，這兩個因素是在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要因素，可為仿真研究提供數(shù)據(jù)支持。

1.1豎向預(yù)應(yīng)力

豎向預(yù)應(yīng)力系數(shù)對箱梁的開裂影響較大。在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋受力過程中，受彎、扭、剪等各種力學(xué)效應(yīng)影響，導(dǎo)致箱梁橋結(jié)構(gòu)受力狀況非常復(fù)雜[3]。因此，在研究過程中，忽略橫正應(yīng)力及剪應(yīng)力，并在平面坐標(biāo)系中分析箱梁橋應(yīng)力狀態(tài)，如圖1所示。

依據(jù)圖1所示混凝土應(yīng)力狀態(tài)，計算主拉應(yīng)力，如式（1）所示：

（1）

式（1）中，充分考慮平面內(nèi)橫向正應(yīng)力λ_X和豎向正應(yīng)力λ_Y及剪應(yīng)力k_XY。根據(jù)上述公式，假設(shè)受到的應(yīng)力為正向拉力，豎向預(yù)應(yīng)力則為豎向正應(yīng)力λ_Y≠0且λ_Y<0，隨著豎向預(yù)應(yīng)力逐漸變大，主拉應(yīng)力卻不斷減小[4]。當(dāng)λ_X、λ_Y達(dá)到設(shè)定閾值時，主拉應(yīng)力為0，此時說明混凝土連續(xù)箱梁橋無作用力，不會產(chǎn)生裂縫。因此，豎向預(yù)應(yīng)力大小對于箱梁梁體主拉應(yīng)力來說具有較大影響，這是引起梁橋開裂的敏感性因素[5]。

1.2溫度荷載

在自然條件下，由于混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的材料特性，當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時，其外部溫度變化很快，而內(nèi)部溫度保持恒定，引起混凝土上部結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大，變形嚴(yán)重[6]。當(dāng)變形限制過大時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生溫度應(yīng)力[7]。在溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度的情況下，溫度裂縫就會出現(xiàn)，溫度應(yīng)力對箱梁橋開裂的影響已超過荷載應(yīng)力，這也是造成預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋開裂的主要原因。

溫度荷載計算公式如式（2）所示：

（2）

式中：E——混凝土彈性模量;

α——混凝土線脹系數(shù);

A₁——梁橋平面面積;

A——整座橋面積;

e——梁橋平面重心軸與中心距離;

I——慣性矩。

在加固過程中，混凝土在懸挑0^#砌塊時釋放水泥的水化熱，因0^#塊體積較大，一次澆筑不容易發(fā)生水化熱傳遞。在施工期間未采取合理的散熱措施，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高于外部溫度時，混凝土表面就會產(chǎn)生拉應(yīng)力[8]?；炷廉a(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時，也會產(chǎn)生裂縫。另外，在各分段懸臂施工中，舊混凝土澆筑段與新混凝土澆筑段連接部位之間因產(chǎn)生水化熱而形成溫度梯度，使開縫表面中部產(chǎn)生豎向裂縫[9]。另外，在混凝土養(yǎng)護(hù)階段和冬季施工期間，溫度變化很快，內(nèi)部和外部溫度不均勻，也是導(dǎo)致梁橋開裂的主要原因。

2建立仿真模型

確定引起在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的主要兩個因素是豎向預(yù)應(yīng)力和溫度荷載后，應(yīng)用Ansys軟件對混凝土連續(xù)箱梁橋的裂縫進(jìn)行了模擬分析?；炷羷偠染仃嚺c預(yù)應(yīng)力筋剛度矩陣直接疊力口，可以反映預(yù)應(yīng)力筋剛度對構(gòu)件剛度的影響，從而可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋與節(jié)點混凝土直接連接。另外，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間有很好的結(jié)合，滑移影響可以忽略。

對于預(yù)應(yīng)力研究，需通過對預(yù)應(yīng)力鋼筋單元施加等效溫度荷載，以此模擬等效溫度，計算公式如式（3）所示：

（3）

式中：F——有效外界作用力;

β₁——線膨脹系數(shù);

β₂——彈性模量;

β₃——單根鋼筋面積。

根據(jù)等效溫度構(gòu)建實體仿真模型，如圖2所示。

采用立體式實體單元模擬箱梁部分，共有128000個單元，箱梁橋上鋪裝層采用shell93仿真方式，共模擬2700個單元，垂直方向的預(yù)應(yīng)力鋼梁和鋼筋之間采用三維單元連接，共20000個單元，整個實體模型元素總數(shù)為151297，共73327個節(jié)點。定義材料性能和每個單元實際參數(shù)：Solid65和Shell93彈性模量為3.5×10⁴MPa，容重為25kN/m3;三維單元Link8對應(yīng)縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼筋兩種材料性能和實際參數(shù)，第一種彈性模量和第二種彈性模量分別為1.9×10⁵m³和2.0×10⁵MPa，泊松比均為0.3，容重均為78.5kN/m³。由此完成實體模型構(gòu)建。

3工況仿真

裂隙的產(chǎn)生與梁橋材料、質(zhì)量、施工環(huán)境及設(shè)計因素有關(guān)，滿足混凝土配合比要求，可消除材料和結(jié)構(gòu)缺陷。頂板受力時，頂板縱向開裂是由于其橫向拉伸應(yīng)力太大所致，受恒載荷、活載荷和溫度載荷時，會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。與恒載荷和活載荷相比，溫度載荷是最不受重視的載荷，而溫度載荷則是產(chǎn)生和發(fā)展成裂縫的主要因素。

為進(jìn)一步研究影響溫度載荷的因素，實體模型中不僅考慮了恒載荷和預(yù)應(yīng)力，而且還模擬了三種不同的溫度模式。

模式1：不考慮頂板升溫狀況。

模式2：考慮頂板四個角升溫狀況，如表1所示。

模式3：以25℃為標(biāo)準(zhǔn)，升高頂板溫度。

根據(jù)上述工況仿真內(nèi)容，可以組合成以下三種工況，分別是：

（1）工況1：恒載荷條件下，在溫度模式1下添加預(yù)應(yīng)力。

（2）工況2：恒載荷條件下，在溫度模式2下添加預(yù)應(yīng)力。

（3）工況3：恒載荷條件下，在溫度模式3下添加預(yù)應(yīng)力。

三種工況下的混凝土連續(xù)箱梁橋主拉應(yīng)力等值線圖如圖3～5所示。

從上述工況圖中可看出，主拉應(yīng)力等值線的走勢為順勢走向，與各個等值線呈平行趨勢。混凝土連續(xù)箱梁橋開裂方向與主拉應(yīng)力方向是垂直的，為此，等值線走勢能夠真實反映出開裂方向。

4仿真實驗

為驗證在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真分析方法的有效性，進(jìn)行了仿真實驗分析。

4.1工程概況

選擇某座懸臂式對稱澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋采用20m、30m預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)梁。橋梁總長為1470.20m，整座橋梁分為兩部分，每部分寬11.128mo主要墩位為中空墩位，基礎(chǔ)為樁徑180cm群樁基礎(chǔ)，引橋為D-120cm鉆孔樁的雙柱墩位。車輛設(shè)計載荷-20級以上，拖車設(shè)計載荷-120級以上。

橋梁在完成1/4跨徑和3/4跨徑連接后，在兩者之間的中軸線產(chǎn)生了斜裂縫。兩側(cè)面基本對稱，與橋梁的縱軸呈30°～45°角。此外，箱梁頂部和底部也出現(xiàn)長寬約0.1mm的縱向裂縫，裂縫呈間隙式發(fā)展。

4.2受力分析

在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋施工階段主梁截面受力點如圖6所示。

對于圖6中的受力變化如圖7所示。

圖7（a）中R1點正應(yīng)力隨著距離增加，呈下降→上升→下降→上升趨勢，在0.8～5m范圍內(nèi)，正應(yīng)力<0MPa，在5～5.4m、5.4～5.8m范圍內(nèi)，正應(yīng)力≥0MPa;R2點正應(yīng)力在距離為0m、5.4m時，正應(yīng)力=0MPa，其余均<0MPa;R3點正應(yīng)力均<0MPa。

圖7（b）中R4點在距離為0m、9m時，正應(yīng)力=0MPa，其余均<0MPa;R5點在距離為2m、4.8m 時，正應(yīng)力>0MPa;R6點在距離為7.3m時，正應(yīng)力=0MPa，其余均<0MPa;R6點在距離為6.5m時，正應(yīng)力=0MPa。

4.3實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述受力分析結(jié)果，分別使用熱電偶實測數(shù)據(jù)和衰減規(guī)律分析方法（P1）、統(tǒng)計氣象資料估計橋梁溫度分布方法（P2）、在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法（P3）分析主梁截面受力點縱向正應(yīng)力，對比結(jié)果如下頁表2、表3所示。

由表2可知，使用P3方法分析結(jié)果與圖7（a）所示受力結(jié)果一致，而使用P1和P2兩種方法分析結(jié)果與圖7（a）所示受力結(jié)果不一致。由此可知使用在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點頂面正應(yīng)力研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。

由表3可知，使用P1和P2兩種方法分析結(jié)果與圖7（b）所示受力結(jié)果不一致，而使用P3方法分析結(jié)果與圖7（b）所示受力結(jié)果一致。由此可知，使用在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點底面正應(yīng)力研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。

5結(jié)語

本文應(yīng)用ANSYS模型對連續(xù)箱梁施工階段的應(yīng)力和混凝土裂縫進(jìn)行了模擬分析，得出如下結(jié)論：

（1）連續(xù)箱梁橋彎曲截面受正應(yīng)力過大是引起開裂的主要原因。

（2）主梁橋的裂縫主要出現(xiàn)在施工階段，即在梁橋滿張力后，主拉應(yīng)力達(dá)到最大值，此時裂縫分布區(qū)域與實際連續(xù)箱梁橋?qū)?yīng)界面裂縫特征保持一致，底面和頂面正應(yīng)力增加了裂縫區(qū)域正應(yīng)力。

由于施工階段梁橋開裂位置變更不合理，導(dǎo)致整個預(yù)應(yīng)力鋼束張拉過程受力分析結(jié)果不全面，因此，在今后研究過程中，應(yīng)在特殊情況下分析梁橋結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

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