預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫分析

趙韋皓，郭志光，張凡，呂柏行

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073）

1 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合了連續(xù)梁式橋與T 形剛構(gòu)橋的受力特點，結(jié)構(gòu)受力分配合理，施工簡單，在當(dāng)前世界橋梁領(lǐng)域獲得了普遍的使用，但隨著連續(xù)剛構(gòu)橋跨度不斷增加，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在實際使用過程中的跨中下?lián)?、墩頂?fù)彎矩區(qū)開裂等病害問題不斷凸顯，這些病害不僅會對結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性造成影響，也是目前制約該類橋型向更大跨度發(fā)展的主要因素。

隨著混凝土斷裂力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對混凝土的斷裂力學(xué)及其理論行為的了解也進(jìn)一步深入，斷裂力學(xué)相關(guān)學(xué)者把混凝土斷裂的發(fā)展過程分為了以下3 個階段：初始斷裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)破裂[1]。連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中產(chǎn)生的裂紋也屬于初始裂紋，包含箱梁頂板裂紋、底板開裂、腹板裂紋、橫隔墻板裂紋等。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫種類

連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的產(chǎn)生及類型與結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、材料特性等多因素相關(guān)，總的來說，產(chǎn)生的裂縫可分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫[2]。

2.1 結(jié)構(gòu)性裂縫

裂紋根據(jù)結(jié)構(gòu)性特征可以分成扭轉(zhuǎn)裂紋、扭曲斷裂、剪切裂紋和局部應(yīng)力裂紋。彎曲裂縫常發(fā)生于連續(xù)梁存在負(fù)彎矩較大部位的上方和正彎矩較大部位的下方。扭轉(zhuǎn)裂紋則一般是在小扭矩、剪力作用和大彎矩三者聯(lián)合作用下形成的，此時，混凝土受拉區(qū)最大拉應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度，從而形成此類裂縫。剪切斷裂通常是在剪力作用下與彎矩共同作用或是剪力單獨作用下所產(chǎn)生的結(jié)果，斜斷裂的發(fā)展同時也會造成沿斜散射截面的被剪承載力不足，而產(chǎn)生損傷。局部應(yīng)力裂縫通常發(fā)生于應(yīng)力的相對集中部位，如錨頭、支座等。

2.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫

非結(jié)構(gòu)性裂紋，一般是由氣溫變化、混凝土徐變和內(nèi)部鋼筋腐蝕等原因造成的裂縫溫度開裂，較常見的有收縮裂紋、徐變裂紋、鋼筋腐蝕裂紋和凍脹裂紋等。高溫裂紋，主要是在橋梁施工過程中混凝土在內(nèi)部產(chǎn)生水化熱時，所形成的熱能因集中到構(gòu)件內(nèi)而無法分散，與外部的空氣溫度產(chǎn)生了很大溫差，從而造成構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的裂紋；在橋梁使用過程中，由于混凝土構(gòu)件表層的水分損失速率比內(nèi)部更快，因而產(chǎn)生的內(nèi)部收縮速率也不相同，產(chǎn)生了收縮裂縫。鋼筋腐蝕與開裂則因施工質(zhì)量不高、保護(hù)層厚度不達(dá)標(biāo)時，導(dǎo)致鋼筋易裸露于空氣中，從而銹蝕膨脹導(dǎo)致保護(hù)層破裂。

3 基于斷裂力學(xué)的裂縫擴(kuò)展

3.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子

彈性體中心的裂隙結(jié)構(gòu)為梯形，簡化后，分為具有張開型彈性裂隙、滑開型彈性裂隙、撕開式彈性裂隙3 種基本裂隙形式（見圖1）。當(dāng)2 個裂紋應(yīng)力處于正反拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的分量同時相互作用之下時，則形成復(fù)合裂紋[3]。

圖1 裂紋的基本形式

Irwin 根據(jù)Westergaard 的分析結(jié)果，推導(dǎo)出裂紋尖端附近應(yīng)力σ 的表達(dá)式：

式中，K 為強(qiáng)度因子；θ 為點在裂紋尖端的柱狀極坐標(biāo)；r 為點在裂紋尖端的柱狀極坐標(biāo)；f(θ)為應(yīng)力場角分布的函數(shù)。

這就建立了1 個特殊情況下才能用來描述的公式，從而推出了應(yīng)力強(qiáng)度因子概念。以應(yīng)力強(qiáng)度因子來表示的3 種主要斷裂形式裂紋尖端應(yīng)力、位移漸進(jìn)場，K1、K2、K3是對應(yīng)于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所描述的也就是在斷裂尖端附近局部的強(qiáng)弱程度。通過強(qiáng)度因子則可以得到判斷標(biāo)準(zhǔn)：K=Kc，其中Kc表示臨界強(qiáng)度因子，可以作為判斷裂紋失穩(wěn)的臨界值。

3.2 引起連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫擴(kuò)展的主要因素

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的擴(kuò)展可能與多種因素相關(guān)，如合龍溫度與設(shè)計差距過大、合龍澆筑混凝土收縮速率不一致、縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉不到位、橫向預(yù)應(yīng)力過大、施工工藝與順序、混凝土低齡期加載等單一因素和多種因素耦合作用，均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混凝土開裂。

4 工程實例

4.1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋分左右兩幅，橋?qū)捀鳛?5 m，橋跨布置為95 m+170 m+95 m 連續(xù)剛構(gòu)。其中，主橋箱梁選用單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板、底板分別寬15 m、7.5 m，箱梁根部高10 m、腹板厚0.7 m，跨中梁高3.5 m、腹板厚0.5 m，底板厚度由0.34 m按1.8 次拋物線變化至根部1.2 m，選用C55 混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力筋選用高強(qiáng)度、低松弛的鋼絞線。橋墩選用鋼筋直徑混凝土雙壁空心橋墩，選用C55 混凝土。該特大橋在施工過程中就已產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂痕典型裂縫如圖2 所示（圖中，L 為裂縫長度；σ 為裂縫寬度）。

圖2 典型裂縫示意圖

4.2 有限元建模

特大橋結(jié)構(gòu)采取雙吊籃平衡懸臂法對稱進(jìn)行澆筑，各邊跨與中心跨最后合龍，下部結(jié)構(gòu)與主橋全部膠結(jié)，構(gòu)成T 形結(jié)構(gòu)，其中主橋結(jié)構(gòu)除零塊外，每個平衡懸臂結(jié)構(gòu)共分20 個節(jié)段。為了考查溫度作用對于裂紋形成的影響規(guī)律，構(gòu)建了Midas/Civil 整體模式型，把零塊每個橫隔板分別視為1 個單位，懸臂按照施工節(jié)段共分為22 個節(jié)段，每邊跨現(xiàn)澆段長約6 m，共劃分為3 個單位，每邊跨合龍段為1 個單位，中跨合龍段為2 個單位，主梁共劃分為120 個單位；每個主墩根據(jù)施工節(jié)段以及截面的變形情況分成21 個單位，按下部結(jié)構(gòu)則劃分為42 個單位。全橋一共劃分為166 個單元，全橋Midas/Civil模型如圖3 所示。澆筑過程中，懸臂結(jié)構(gòu)端保持自然狀態(tài)，主墩底面固結(jié)，0 號塊節(jié)點與墩頂節(jié)點之間采用彈性連接的剛性接頭。

圖3 全橋Mi das/Ci vi l 模型

4.3 裂縫分析

采用Midas/Civil 整體模型模擬了連續(xù)剛構(gòu)橋澆筑過程中的縱向預(yù)應(yīng)力損失分別在10%、20%時的動力學(xué)狀況，其澆筑階段中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力以及在無損失狀態(tài)下的最大應(yīng)力值變化，如圖4 所示。

圖4 不同預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)應(yīng)力圖

從各施工階段最大應(yīng)力、最小應(yīng)力與無損狀態(tài)的應(yīng)力差值變化可以看出，縱向預(yù)應(yīng)力損失10%時，各施工節(jié)段最大應(yīng)力增加約0.1 MPa（10%），最小應(yīng)力增加約0～2 MPa（10%～20%）；縱向預(yù)應(yīng)力損失20%時，各施工節(jié)段最大應(yīng)力增加約0.2 MPa（25%），最小應(yīng)力增加約0～3.5 MPa（20%～50%）。橋梁最大應(yīng)力、最小應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失的變化成正比關(guān)系，受壓程度降低，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫開始發(fā)展。預(yù)應(yīng)力損失造成橋梁結(jié)構(gòu)抵抗拉應(yīng)力的能力減弱，超過混凝土抗拉強(qiáng)度之后，連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開始產(chǎn)生裂縫，裂縫在使用期會進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)橋在施工階段便容易產(chǎn)生裂縫，而運營階段的復(fù)雜環(huán)境、荷載溫度耦合更加劇了裂縫的擴(kuò)展，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。本文在總結(jié)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫的類型和具體形式的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件建立了某特大橋的整體模型，對連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)中預(yù)應(yīng)力不同程度損失情況進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力張拉控制力的損失可以導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋所受應(yīng)力變化，從而使連續(xù)剛構(gòu)橋所受到的張拉應(yīng)力大于混凝土最大抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂紋的形成，基于力學(xué)原理分析，裂縫可能進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋施工中嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力張拉控制力對抑制箱梁裂縫擴(kuò)展是有利的。