預應力連續(xù)剛構橋裂縫分析

趙韋皓，郭志光，張凡，呂柏行

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100073）

1 引言

連續(xù)剛構橋結合了連續(xù)梁式橋與T 形剛構橋的受力特點，結構受力分配合理，施工簡單，在當前世界橋梁領域獲得了普遍的使用，但隨著連續(xù)剛構橋跨度不斷增加，大跨連續(xù)剛構橋在實際使用過程中的跨中下撓、墩頂負彎矩區(qū)開裂等病害問題不斷凸顯，這些病害不僅會對結構的耐久性、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的進一步發(fā)展，人們對混凝土的斷裂力學及其理論行為的了解也進一步深入，斷裂力學相關學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)定擴展、失穩(wěn)破裂[1]。連續(xù)剛構橋在施工過程中產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)剛構橋裂縫種類

連續(xù)剛構橋裂縫的產生及類型與結構設計、施工質量、材料特性等多因素相關，總的來說，產生的裂縫可分為結構性裂縫與非結構性裂縫[2]。

2.1 結構性裂縫

裂紋根據結構性特征可以分成扭轉裂紋、扭曲斷裂、剪切裂紋和局部應力裂紋。彎曲裂縫常發(fā)生于連續(xù)梁存在負彎矩較大部位的上方和正彎矩較大部位的下方。扭轉裂紋則一般是在小扭矩、剪力作用和大彎矩三者聯合作用下形成的，此時，混凝土受拉區(qū)最大拉應力大于材料抗拉強度，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生的結果，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，而產生損傷。局部應力裂縫通常發(fā)生于應力的相對集中部位，如錨頭、支座等。

2.2 非結構性裂縫

非結構性裂紋，一般是由氣溫變化、混凝土徐變和內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部產生水化熱時，所形成的熱能因集中到構件內而無法分散，與外部的空氣溫度產生了很大溫差，從而造成構件內產生的裂紋；在橋梁使用過程中，由于混凝土構件表層的水分損失速率比內部更快，因而產生的內部收縮速率也不相同，產生了收縮裂縫。鋼筋腐蝕與開裂則因施工質量不高、保護層厚度不達標時，導致鋼筋易裸露于空氣中，從而銹蝕膨脹導致保護層破裂。

3 基于斷裂力學的裂縫擴展

3.1 應力強度因子

彈性體中心的裂隙結構為梯形，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2 個裂紋應力處于正反拉應力與剪應力的分量同時相互作用之下時，則形成復合裂紋[3]。

圖1 裂紋的基本形式

Irwin 根據Westergaard 的分析結果，推導出裂紋尖端附近應力σ 的表達式：

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

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

3.2 引起連續(xù)剛構橋裂縫擴展的主要因素

預應力連續(xù)剛構橋裂縫的擴展可能與多種因素相關，如合龍溫度與設計差距過大、合龍澆筑混凝土收縮速率不一致、縱向預應力鋼筋張拉不到位、橫向預應力過大、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，均會導致結構混凝土開裂。

4 工程實例

4.1 工程概況

某連續(xù)剛構橋分左右兩幅，橋寬各為15 m，橋跨布置為95 m+170 m+95 m 連續(xù)剛構。其中，主橋箱梁選用單箱單室結構，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，縱向預應力筋選用高強度、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生了一定數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

特大橋結構采取雙吊籃平衡懸臂法對稱進行澆筑，各邊跨與中心跨最后合龍，下部結構與主橋全部膠結，構成T 形結構，其中主橋結構除零塊外，每個平衡懸臂結構共分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；每個主墩根據施工節(jié)段以及截面的變形情況分成21 個單位，按下部結構則劃分為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，懸臂結構端保持自然狀態(tài)，主墩底面固結，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)剛構橋澆筑過程中的縱向預應力損失分別在10%、20%時的動力學狀況，其澆筑階段中最大應力與最小應力以及在無損失狀態(tài)下的最大應力值變化，如圖4 所示。

圖4 不同預應力損失狀態(tài)應力圖

從各施工階段最大應力、最小應力與無損狀態(tài)的應力差值變化可以看出，縱向預應力損失10%時，各施工節(jié)段最大應力增加約0.1 MPa（10%），最小應力增加約0～2 MPa（10%～20%）；縱向預應力損失20%時，各施工節(jié)段最大應力增加約0.2 MPa（25%），最小應力增加約0～3.5 MPa（20%～50%）。橋梁最大應力、最小應力與預應力損失的變化成正比關系，受壓程度降低，橋梁結構裂縫開始發(fā)展。預應力損失造成橋梁結構抵抗拉應力的能力減弱，超過混凝土抗拉強度之后，連續(xù)剛構橋箱梁開始產生裂縫，裂縫在使用期會進一步發(fā)展。

5 結論

連續(xù)剛構橋在施工階段便容易產生裂縫，而運營階段的復雜環(huán)境、荷載溫度耦合更加劇了裂縫的擴展，影響橋梁結構的耐久性與安全性。本文在總結連續(xù)剛構橋箱梁裂縫的類型和具體形式的基礎上，通過有限元軟件建立了某特大橋的整體模型，對連續(xù)剛構橋建設中預應力不同程度損失情況進行了模擬。結果表明，預應力張拉控制力的損失可以導致連續(xù)剛構橋所受應力變化，從而使連續(xù)剛構橋所受到的張拉應力大于混凝土最大抗拉強度，從而導致連續(xù)剛構橋箱梁裂紋的形成，基于力學原理分析，裂縫可能進一步擴展。因此，連續(xù)剛構橋施工中嚴格控制預應力張拉控制力對抑制箱梁裂縫擴展是有利的。