異型連續箱梁橋0 號塊裂縫分析

王 強

(海峽（福建） 交通工程設計有限公司，福州 350004)

由于連續梁橋0 號塊構造和受力復雜， 再加上0 號塊梁端具有梁體高、鋼筋分布密集等因素，使得0 號塊容易出現問題， 所以研究0 號塊的裂縫對于確保橋梁的安全具有重要意義。結合商丘市歸德路異型連續箱梁橋，該異型連續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，構造更為復雜，運用MIDAS/FEA將混凝土和預應力鋼束設置為非線性的材料進行裂縫分析，對0 號塊梁段開裂部位加強處理。保證橋梁運營狀態下整個橋梁結構的安全可靠性。

1 工程概況

本橋為(50 + 82 + 50) m 三跨預應力混凝土異型連續箱梁橋，按照預應力混凝土A 類構件設計，設計荷載為公路一級，采用懸臂和滿堂支架聯合施工。采用單箱三室不對稱截面，上部結構為三向預應力結構，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3.75 m，箱梁頂板和底板都設置1.5%的雙向橫坡。 箱梁根部梁高5m，左右兩側梁高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 號塊立剖面圖和0 號塊左右兩端橫斷面圖分別如圖1、2、3 所示。

2 有限元模型

根據圣維南原理，0 號塊的應力分布只與其附近區域的應力有關， 即遠離0 號塊區域的應力狀態對其應力分布的影響可以忽略不計。 本文分析將0 號和1 號塊段作為研究對象。 通過MIDAS / Civil 建立橋梁整體模型如圖4， 運用模型中移動荷載追蹤器追蹤到0 號塊梁段最不利彎矩荷載和剪力荷載。

圖1 0 號塊立剖面圖

圖2 0 號塊左端橫斷面圖

圖3 0 號塊右端橫斷面圖

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

圖4 橋梁整體模型

圖5 0 號塊有限元模型

工況一:運營階段0 號塊局部裂縫分析，考慮自重、預應力、二期荷載、活荷載作用下0 號塊最不利彎矩效應組合。

工況二：運營階段0 號塊局部裂縫分析，考慮自重、預應力、二期荷載、活荷載作用下0 號塊最不利剪力效應組合。

根據不同的荷載工況， 從整體模型中提取相應截面的內力施加于局部模型中剛性連接的主節點處。 整體模型中提取的內力情況如表1 所示。

表1 作用荷載取值

3 計算結果

3.1 裂縫圖形分析

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

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 號塊左右兩側三室頂板中心和橋面變寬一側翼緣板處位移較大， 選取7 個位移較大的節點進行局部裂縫分析， 如圖7 位移云圖中標注有位移的各個節點號左側從下往上節點號依次為10654、10471、10311，右側從下往上依次為20095、25756、20044，翼緣板階段節點號為22942。

圖7 0 號塊位移云圖

圖8 荷載系數-應變關系曲線圖

從圖8 可知，隨著荷載的增加，各點的應變呈非線性關系。 荷載系數為小于0.2 時，0 號塊兩側三室頂板中心的六個節點處及橋面變寬一側翼緣板一個節點處還沒有開裂，應力應變關系呈線性關系，隨著荷載的逐漸增加，七個節點開始產生裂縫，之后呈非線性關系。在各個節點開裂過程中，0 號塊右側三室頂板中心及橋面變寬一側翼緣板處的應變始終大于0 號塊左側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，下面對七個節點附近部位進行裂縫局部分析，如圖10 所示為局部裂縫平面圖。圓片的法向代表開裂方向，垂直于紙面方向為豎向方向（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

當荷載系數為0.95 時，對應變較大的七個節點附近的裂縫分析可知，0 號塊左側三室頂板中心裂縫分布均勻，主要產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有少量的沿橫橋向方向的橫向裂縫；右側裂縫密集， 右室頂板中心和左室頂板中心主要是產生沿橫橋向方向的橫向裂縫， 中室頂板中心既產生了沿橫橋向方向的橫向裂縫也產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。 設計和施工過程中可以根據裂縫產生方向布置相應鋼筋，防止薄弱部位的開裂。

4 結論和建議

（1） 裂縫最先產生于0 號塊左右兩側頂板與腹板交界處，隨著荷載的增加裂縫向中間擴展，0 號塊橫隔板與右側頂板交界處、 橋梁變寬處一側翼緣板和腹板與頂板交界處、三室頂板中心處都會產生裂縫。在設計和施工過程中對開裂部位進行加強處理， 避免局部的破壞導致整體破壞，保證整體穩定性。

（2） 在設計和施工過程中對0 號塊左側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處理； 對于0 號塊右側三室頂板中心處和橋面變寬一側翼緣板處的橫向裂縫主要采用布置縱向鋼筋加強處理。計算結果已直接應用于商丘市歸德路異型連續梁橋實際工程。