預應力混凝土連續剛構橋裂縫分析及加固

文/新疆新紀元公路設計有限責任公司　楊靜

預施應力工藝最早出現在20世紀30年代，于20世紀50年代后取得了巨大發展。預應力混凝土連續剛構橋梁具備合理的受力狀況與良好的行車性，在各類橋梁中占據著重要地位。大跨徑預應力混凝土連續剛構橋跨越能力強，在地形復雜地區被廣泛采用，但由于橋梁材料、自然環境及車輛載荷等因素，在實際營運中連續剛構橋會出現不同程度的病害損傷。病害多集中在橋梁中跨，中跨的撓度變形相對較大；橋梁不同部位的裂縫，將會削弱主梁截面的剛度，導致橋梁整體下撓。脆性材料結構是裂縫生成的主要部位，此處若出現拉應力大于材料抗拉強度時，會在材料內部顆粒之間產生微裂紋之后，持續擴展為貫通裂縫。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了裂縫發展歷程、抗彎承載力、應力狀態，表明全加或者加底板縱向預應力鋼束后，增強了橋梁內部跨中截面的抗彎承載力，采用頂底板全部施加體外預應力方案時，橋梁內沒有出現拉應力，受力狀況最好。

工程概況

某大跨徑預應力混凝土橋梁為單箱單室三向預應力混凝土箱梁結構，跨徑布置為75m、140m、75m，橋長290m，箱梁頂寬、底寬分別為22.5m、11.5m，根部斷面中心線位置處梁高7.5m，跨中及邊跨合龍梁段梁高為3.0m。頂板縱向預應力索規格為φj0.6″，錨具規格為OVMl5-25型，橫向預應力索張拉端錨具為BM15-5型。豎向預應力鋼筋為直徑32mm的高強精軋螺紋鋼，橋墩為雙柱式空心薄壁橋墩。運營中跨箱梁腹板處出現裂縫，裂縫集中在靠近跨中14#梁塊至16#梁塊，最大裂縫長1.9m，寬度0.26mm，同時底板有部分縱向裂縫。

ABAQUS有限元模型

為了分析受力最不利的14#梁塊至16#梁塊，建立ABAQUS有限元分析軟件，模型內部包含有混凝土、鋼筋以及裂縫面等幾何實體，混凝土用3D應力線形減縮單元C3D8R單元設置，六面體單元網格，鋼筋用線形桁架T3D2單元設置。由于裂縫附近為高應力區域與應變場量梯度較高，此處的網格必須細化。為了實現將鋼筋與混凝土黏結，可以借助Embedded技術。

模擬裂縫發展

在較易產生裂縫的區域內可以根據裂縫走向建立初始裂縫，根據裂縫擴展準則，最大主應力為2060kPa，損傷準則為線性軟化，最大損傷為退化模型，設置裂紋擴展準則即為最大主應力準則，則當單元所受應力大于最大主應力準則時，生成的裂縫垂直于最大主應力方向。為了研究裂縫產生過程，施加外荷載劃分為380子步，選取部分子步查看裂縫發展云圖，如圖1所示。

圖1 裂縫發展歷程云圖

通過ABAQUS有限元分析軟件模擬可直觀認識裂縫發展歷程中應力及形態的變化。如圖1(a)所示，第5子步中初始階段裂縫尖端范圍內裂縫應力開始減小，之后繼續施加荷載，在第30子步云圖中裂縫中間轉折范圍內出現了較之前范圍更大的淡藍色應力區，表明裂縫周圍區域應力再次減小，在第150子步云圖中，裂縫中部范圍內應力幾乎為零，裂縫面中部法向出現了應力漸變區域，此處的裂縫尖端處應力呈現增大趨勢，在第180子步云圖中，裂縫中間處應力持續減小，而尖端處的應力反而持續增大，特別是在尖端處有應力集中現象出現。

裂縫加固

裂縫降低了混凝土橋梁承重構件的承載力和截面剛度，同時也降低了橋梁結構的使用壽命和使用性能，導致橋梁的安全性、可靠性與耐久性大打折扣。為了保證橋梁正常運行，維修裂縫、加固橋梁十分必要。裂縫加固的主要方案有體外預應力加固，碳纖維材料加固，黏貼鋼板加固。按照力學可以將裂縫加固方案，分為主動加固和被動加固兩大類。主動加固是指在加固材料上預先施加力，通過接觸傳遞到混凝土截面上，抵消荷載在混凝土截面作用的主應力，最終減小閉合裂縫。被動加固是指借助加固材料和混凝土結構接觸，來抵消荷載作用在混凝土截面上的力。

圖2 跨中區域抗彎承載力的變化　

圖3 斜截面主拉應力的變化

圖4 截面正應力的變化

裂縫加固分析

預應力混凝土連續剛構橋跨度比連續梁橋或簡支梁橋大，連續剛構橋從施工到運營橋梁各部受力都相對復雜。若橋梁內部材料拉壓應力大于黏結力和材料強度，材料接觸面會出現分離，進而發展成微觀裂紋，微觀裂紋間進一步相互融合貫通，最后將生成宏觀裂縫。裂縫產生的原因不同，可以分為荷載裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫、腐蝕裂縫及沉降裂縫。對大量預應力混凝土連續剛構橋的實際研究表明，荷載裂縫對橋梁影響較大，荷載裂縫產生的主要原因，在于較大的外加載荷對橋梁構件產生的主拉應力大于材料抗拉強度。根據荷載裂縫產生的位置和分布形式，可以分為腹板斜裂縫、頂板橫向裂縫、中跨箱梁底橫向裂縫、縱向裂縫、橫隔板裂縫。

受力狀況分析

由于中跨四分點位置剪應力較大，剪切裂縫的腹板裂縫表現最為突出，表現為里裂縫長度長，寬度大，從中跨四分點處向跨中發展，此裂縫削弱了主梁剛構，導致主梁下撓。采用黏貼鋼板的方式增大截面剛度或施加預壓應力，可以實現加固橋梁的效應。為了對比分析不同加固方案的加固效果，可對不同位置處施加預應力鋼束法，再做進一步分析。

按照箱梁截面體外力不同的布置方式，分別對利用頂板體外預應力鋼束、利用底板體外預應力鋼束、加頂底板鋼束及不加鋼束4種不同方案分類研究。以上4種方案使用的鋼束預應力都為930MPa，通過數值模擬可了解在不同位置施加預應力后截面抗彎承載力、最大正應力和最大主拉應力值的大小關系，分析各類方案的優劣。

如圖2所示，全加或者加底板縱向預應力鋼束后抗彎承載力的值較大，表明底板縱向預應力鋼束增強了橋梁內部跨中截面的抗彎承載力，而施加頂板束對提高橋梁結構的承載力無明顯影響。如圖3所示，在橋梁結構頂部施加體外預應力鋼束后，可以顯著提高橋梁內部的斜截面主拉應力，表明頂部施加體外預應力鋼束可以有效加固結構斜截面的裂縫。

如圖4所示，大約橋梁截面100m位置處，正應力出現負值區域，說明此處截面的橋梁內部受拉，對橋梁結構的三種不同部位施加體外預應力鋼束。模擬結果表明，當采用頂底板全部施加體外預應力方案時，橋梁內部沒有出現拉應力，受力情況最好，頂板部位施加體外預應力對結構正應力的控制一般，施加底板預應力鋼束對控制結構最大正應力的作用不顯著。

結語

通過ABAQUS有限元分析軟件模擬直觀認識裂縫發展歷程中應力及形態的變化。初始階段裂縫尖端范圍內裂縫應力開始減小，后繼續施加荷載，裂縫中間范圍內應力幾乎為零，而尖端處有應力集中現象出現，全加或者加底板縱向預應力鋼束后增強了橋梁內部跨中截面的抗彎承載力，而施加頂板束后對提高橋梁結構的承載力無明顯影響。在橋梁結構頂部施加體外預應力鋼束后，可以有效加固結構斜截面的裂縫，采用頂底板全部施加體外預應力方案時，橋梁內沒有出現拉應力，受力情況最好，頂板部位施加體外預應力對結構正應力的控制一般，施加底板預應力鋼束對控制結構最大正應力的作用不顯著。