底板縱向裂縫寬度對PC 等截面箱梁剛度影響分析

江亞雄JIANG Ya-xiong；蔡丁錫CAI Ding-xi；鄔曉光WU Xiao-guang

（①長安大學公路學院，西安 710064；②福州沈海高速公路有限責任公司，福州 350000）

（①School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；②Fuzhou Shenhai Expressway Co.，Ltd.，Fuzhou 350000，China）

0 引言

近二十年來，我國基礎建設發展迅猛，公路橋梁的建設得到了較好的發展機遇。國家每年都有許多橋梁建成，但是人們已發現有很多PC 等截面箱梁的頂板、底板、腹板和橫隔板等部位都出現了不同程度的裂縫，裂縫的存在就會使得結構的有效截面的面積出現減小、剛度降低、角度增大等問題，出現這些問題，就會使得橋梁的使用壽命縮短，嚴重影響橋梁結構的安全，因此需要避免橋梁中出現裂縫。目前，PC 等截面箱梁底板縱向開裂后的撓度、應變的變化相對剛度影響的研究較少，無法定量地對開裂后PC 等截面箱梁橋的安全性作出評價，這也使得管養部門在對開裂后的預應力橋梁定性、加固時還缺乏相應的依據。所以有必要對開裂的等截面箱梁橋進行剛度影響分析。

本文針對一座存在底板縱向裂縫的PC 等截面箱梁進行有限元分析，研究底板縱向裂縫寬度的變化對梁體剛度的影響。

1 工程實例

1.1 計算模型 某橋為3 孔30m 的PC 等截面箱梁橋，箱梁采用C50 混凝土，預應力鋼束材料為：鋼筋直徑為15.20mm，設計強度=1850MPa，彈性模量Ey=1.95×105MPa，其力學性能符合《預應力鋼絞線力學性能》GB/T5224-1995 的規定。

1.2 有限元模型 采用有限元軟件ANSYS 進行模擬分析，混凝土采用Solid65 單元模擬，預應力鋼筋采用Link8 單元模擬，通過單元降溫的方式施加預應力[1]。梁體裂縫采用“生死”單元方式處理，即將開裂處垂直混凝土裂縫方向的混凝土單元的剛度矩陣乘以1.0E-6 因子。

分析時應考慮結構的自重、二期恒載、預應力和汽車荷載的共同影響。其中，汽車荷載按照雙車道布載，根據JTGD60-2004《公路橋涵設計通用規范》[2]，采用公路－I 級車道荷載，集中荷載采用360kN，均布荷載采用10.5kN/m，按最不利位置布載。為了避免應力集中，將集中力及均布荷載等效成面荷載再進行加載。

1.3 裂縫特征參數的確定 對于PC 等截面箱梁橋，在使用的階段，為了防止梁體截面等局部范圍因為各種因素而導致出現的開裂。就需要對開裂的箱梁應力及撓度的影響程度進行裂縫分析，以跨中底板局部范圍縱向開裂為例，以裂縫寬度為參數進行模擬分析，裂縫特征參數分別取0mm、0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm。

2 結果分析

為了分析底板縱向裂縫開展寬度對梁體剛度產生的影響，我們可以進行模擬對比分析，分別取裂縫寬0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm 與未開裂梁體情況進行比較，梁體截面撓度、底板拉應力及腹板主拉應力隨裂縫寬度變化數值如表1～3。

表1 中跨截面撓度隨裂縫寬度變化規律 （單位：mm）

表2 中跨截面底板拉應力隨裂縫寬度變化規律（單位：Mpa）

表3 中跨截面腹板主拉應力隨裂縫寬度變化規律（單位：Mpa）

由表1～3 可知，在設計荷載最不利布載下，當梁體沒有開裂時，跨中截面最大撓度及應力分別為27.8mm、1.69MPa。當截面底板開裂寬度從0.05mm 增大到0.20mm過程中，跨中撓度增量最大，從31.0mm 變化到40.0mm，撓度增大9mm，增長率29.03%。當梁體從未開裂過渡到產生0.10mm 裂縫時，跨中截面底板拉應力增長幅度為39.05%，最大拉應力為2.35MPa。當裂縫開裂寬度從0.10mm 增大到0.20mm 過程中，中跨跨徑3/8 截面處梁體底板拉應力增量最大，從1.19MPa 變化到1.42MPa，應力增長0.23MPa，增長率19.33%，說明開裂引起了截面應力重新分布，應力由損傷截面向兩側進行轉移。隨著裂縫開展寬度的增加，中跨跨徑1/4 截面處腹板主拉應力增長幅度最大，從1.22MPa 變化到1.32MPa，應力增大0.10MPa，應力增長率8.2%。可見，裂縫寬度變化對梁體截面中性軸附近處腹板主拉應力影響程度較小。

3 小結

①帶裂縫工作的PC 等截面箱梁橋的性能會隨著裂縫寬度的增大而逐漸下降。開裂后就會造成混凝土、預應力鋼筋和普通鋼筋應力狀態的改變，最終導致結構剛度發生改變，從而對橋梁整體結構的承載能力產生影響。

②隨著裂縫寬度的增加，應力由損傷截面向兩側轉移，即裂縫寬度由未開裂至0.10mm，跨中截面底板拉應力增長幅度為39.05%，最大拉應力為2.35MPa；裂縫寬度由0.10mm 至0.20mm，中跨跨徑3/8 截面處梁體底板拉應力增量最大，應力增長0.23MPa，增長率19.33%。

[1]張文學.預應力混凝土連續箱梁局部應力分析及拉—壓桿設計[D].同濟大學，2007.

[2]安新.PC 變截面寬幅空心板橋承載力檢測評估及加固關鍵技術研究[D].長安大學，2011.

[3]景強.橫向裂縫對預應力混凝土箱梁結構剛度及承載力影響分析[D].長安大學，2005.

[4]陳梅.大跨徑預應力混凝土箱梁橋腹板斜裂縫研究[D].長安大學，2001.