在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真分析

羅輝

摘要：使用熱電偶實測數據和衰減規律分析方法以及統計氣象資料估計橋梁溫度分布方法局限于定性分析，使梁橋界面受力點正應力與實際情況不符，可能會導致開裂仿真結果不精準。文章針對該問題，提出了在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真分析方法，在平面坐標系中分析箱梁橋應力狀態，確定豎向預應力和溫度荷載是影響在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂的主要因素，并使用Ansys軟件對混凝土連續箱梁橋裂縫進行模擬分析。通過構建實體仿真模型，充分考慮恒載荷和預應力，模擬三種不同溫度模式，并結合頂板四個角溫度分布情況，組合成三種工況，分析主拉應力等值線圖，真實反映開裂方向。由實驗結果可知，使用該仿真方法獲得的受力點頂面、底面正應力的研究結果更加精準。

關鍵詞：在建預應力;混凝土;連續箱梁橋;開裂過程;仿真分析

中圖分類號：U448.21⁺3文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.040

文章編號：1673-4874（2021）01-0146-05

0引言

預應力混凝土連續箱梁是梁橋結構中最常見的一種結構，其截面抗扭剛度大，結構在施工及使用中穩定性好，該方法適應性強，在橋梁工程中應用十分活躍。但是在使用過程中發現了很多問題，其中最突出的就是普遍出現裂縫。根據不完全統計，混凝土箱梁橋中幾乎都存在或大或小的裂縫[2]。盡管混凝土中也存在裂縫，但一些裂縫的存在和發展，在一定程度上會削弱相應部位的承載能力，還會產生保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、耐久性差等現象，從而影響橋梁的正常使用，縮短其使用壽命。本文研究了橋梁使用中出現的預應力混凝土連續箱梁橋裂縫和病害，并對其進行了分析與修復。

以往的研究中，既對橋梁結構的傳熱問題進行了研究，也對后張混凝土箱梁豎向預應力進行了研究，并根據熱電偶實測數據和衰減規律分析了連續箱梁開裂過程。所得研究結果可有效地簡化連續箱梁橋豎向變形一維問題，但溫度荷載變化過程還沒有得到詳細分析。通過對橋梁溫度分布特征統計，導出了組合梁上下表面最大溫差近似方程，使用該方法利用線性溫度分布特點，雖然能夠得到連續箱梁橋溫差應力，但開裂過程需要從豎向預應力方向展開研究，因此仿真結果不具有代表性。本文提出在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真分析方法，通過構建仿真模型，從豎向預應力和溫度荷載兩個方向展開分析，合理分析混凝土連續箱梁橋開裂原因。

1在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂因素

雖然使混凝土連續箱梁橋開裂因素有很多，但可以將其分為豎向預應力和溫度荷載兩大類，豎向預應力是在荷載作用下造成連續箱梁橋彎曲的主要作用力。溫度荷載指的是箱梁頂板受到驟升、驟降溫度影響，箱梁頂板反復脹縮，內、外壁出現溫差，導致腹板內板和外板出現拉、壓應力，這兩個因素是在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂的主要因素，可為仿真研究提供數據支持。

1.1豎向預應力

豎向預應力系數對箱梁的開裂影響較大。在建預應力混凝土連續箱梁橋受力過程中，受彎、扭、剪等各種力學效應影響，導致箱梁橋結構受力狀況非常復雜[3]。因此，在研究過程中，忽略橫正應力及剪應力，并在平面坐標系中分析箱梁橋應力狀態，如圖1所示。

依據圖1所示混凝土應力狀態，計算主拉應力，如式（1）所示：

（1）

式（1）中，充分考慮平面內橫向正應力λ_X和豎向正應力λ_Y及剪應力k_XY。根據上述公式，假設受到的應力為正向拉力，豎向預應力則為豎向正應力λ_Y≠0且λ_Y<0，隨著豎向預應力逐漸變大，主拉應力卻不斷減小[4]。當λ_X、λ_Y達到設定閾值時，主拉應力為0，此時說明混凝土連續箱梁橋無作用力，不會產生裂縫。因此，豎向預應力大小對于箱梁梁體主拉應力來說具有較大影響，這是引起梁橋開裂的敏感性因素[5]。

1.2溫度荷載

在自然條件下，由于混凝土結構熱脹冷縮的材料特性，當周圍環境溫度變化時，其外部溫度變化很快，而內部溫度保持恒定，引起混凝土上部結構內外溫差大，變形嚴重[6]。當變形限制過大時，結構內部會產生溫度應力[7]。在溫度應力大于混凝土抗拉強度的情況下，溫度裂縫就會出現，溫度應力對箱梁橋開裂的影響已超過荷載應力，這也是造成預應力混凝土連續剛構橋開裂的主要原因。

溫度荷載計算公式如式（2）所示：

（2）

式中：E——混凝土彈性模量;

α——混凝土線脹系數;

A₁——梁橋平面面積;

A——整座橋面積;

e——梁橋平面重心軸與中心距離;

I——慣性矩。

在加固過程中，混凝土在懸挑0^#砌塊時釋放水泥的水化熱，因0^#塊體積較大，一次澆筑不容易發生水化熱傳遞。在施工期間未采取合理的散熱措施，當混凝土內部溫度高于外部溫度時，混凝土表面就會產生拉應力[8]。混凝土產生的拉應力超過其抗拉強度時，也會產生裂縫。另外，在各分段懸臂施工中，舊混凝土澆筑段與新混凝土澆筑段連接部位之間因產生水化熱而形成溫度梯度，使開縫表面中部產生豎向裂縫[9]。另外，在混凝土養護階段和冬季施工期間，溫度變化很快，內部和外部溫度不均勻，也是導致梁橋開裂的主要原因。

2建立仿真模型

確定引起在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂的主要兩個因素是豎向預應力和溫度荷載后，應用Ansys軟件對混凝土連續箱梁橋的裂縫進行了模擬分析。混凝土剛度矩陣與預應力筋剛度矩陣直接疊力口，可以反映預應力筋剛度對構件剛度的影響，從而可以認為預應力筋與節點混凝土直接連接。另外，在預應力混凝土結構中，預應力筋與混凝土之間有很好的結合，滑移影響可以忽略。

對于預應力研究，需通過對預應力鋼筋單元施加等效溫度荷載，以此模擬等效溫度，計算公式如式（3）所示：

（3）

式中：F——有效外界作用力;

β₁——線膨脹系數;

β₂——彈性模量;

β₃——單根鋼筋面積。

根據等效溫度構建實體仿真模型，如圖2所示。

采用立體式實體單元模擬箱梁部分，共有128000個單元，箱梁橋上鋪裝層采用shell93仿真方式，共模擬2700個單元，垂直方向的預應力鋼梁和鋼筋之間采用三維單元連接，共20000個單元，整個實體模型元素總數為151297，共73327個節點。定義材料性能和每個單元實際參數：Solid65和Shell93彈性模量為3.5×10⁴MPa，容重為25kN/m3;三維單元Link8對應縱向預應力鋼絞線和鋼筋兩種材料性能和實際參數，第一種彈性模量和第二種彈性模量分別為1.9×10⁵m³和2.0×10⁵MPa，泊松比均為0.3，容重均為78.5kN/m³。由此完成實體模型構建。

3工況仿真

裂隙的產生與梁橋材料、質量、施工環境及設計因素有關，滿足混凝土配合比要求，可消除材料和結構缺陷。頂板受力時，頂板縱向開裂是由于其橫向拉伸應力太大所致，受恒載荷、活載荷和溫度載荷時，會產生橫向拉應力。與恒載荷和活載荷相比，溫度載荷是最不受重視的載荷，而溫度載荷則是產生和發展成裂縫的主要因素。

為進一步研究影響溫度載荷的因素，實體模型中不僅考慮了恒載荷和預應力，而且還模擬了三種不同的溫度模式。

模式1：不考慮頂板升溫狀況。

模式2：考慮頂板四個角升溫狀況，如表1所示。

模式3：以25℃為標準，升高頂板溫度。

根據上述工況仿真內容，可以組合成以下三種工況，分別是：

（1）工況1：恒載荷條件下，在溫度模式1下添加預應力。

（2）工況2：恒載荷條件下，在溫度模式2下添加預應力。

（3）工況3：恒載荷條件下，在溫度模式3下添加預應力。

三種工況下的混凝土連續箱梁橋主拉應力等值線圖如圖3～5所示。

從上述工況圖中可看出，主拉應力等值線的走勢為順勢走向，與各個等值線呈平行趨勢。混凝土連續箱梁橋開裂方向與主拉應力方向是垂直的，為此，等值線走勢能夠真實反映出開裂方向。

4仿真實驗

為驗證在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真分析方法的有效性，進行了仿真實驗分析。

4.1工程概況

選擇某座懸臂式對稱澆筑預應力混凝土連續箱梁，引橋采用20m、30m預應力混凝土預梁。橋梁總長為1470.20m，整座橋梁分為兩部分，每部分寬11.128mo主要墩位為中空墩位，基礎為樁徑180cm群樁基礎，引橋為D-120cm鉆孔樁的雙柱墩位。車輛設計載荷-20級以上，拖車設計載荷-120級以上。

橋梁在完成1/4跨徑和3/4跨徑連接后，在兩者之間的中軸線產生了斜裂縫。兩側面基本對稱，與橋梁的縱軸呈30°～45°角。此外，箱梁頂部和底部也出現長寬約0.1mm的縱向裂縫，裂縫呈間隙式發展。

4.2受力分析

在建預應力混凝土連續箱梁橋施工階段主梁截面受力點如圖6所示。

對于圖6中的受力變化如圖7所示。

圖7（a）中R1點正應力隨著距離增加，呈下降→上升→下降→上升趨勢，在0.8～5m范圍內，正應力<0MPa，在5～5.4m、5.4～5.8m范圍內，正應力≥0MPa;R2點正應力在距離為0m、5.4m時，正應力=0MPa，其余均<0MPa;R3點正應力均<0MPa。

圖7（b）中R4點在距離為0m、9m時，正應力=0MPa，其余均<0MPa;R5點在距離為2m、4.8m 時，正應力>0MPa;R6點在距離為7.3m時，正應力=0MPa，其余均<0MPa;R6點在距離為6.5m時，正應力=0MPa。

4.3實驗結果與分析

根據上述受力分析結果，分別使用熱電偶實測數據和衰減規律分析方法（P1）、統計氣象資料估計橋梁溫度分布方法（P2）、在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真方法（P3）分析主梁截面受力點縱向正應力，對比結果如下頁表2、表3所示。

由表2可知，使用P3方法分析結果與圖7（a）所示受力結果一致，而使用P1和P2兩種方法分析結果與圖7（a）所示受力結果不一致。由此可知使用在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點頂面正應力研究結果更加精準。

由表3可知，使用P1和P2兩種方法分析結果與圖7（b）所示受力結果不一致，而使用P3方法分析結果與圖7（b）所示受力結果一致。由此可知，使用在建預應力混凝土連續箱梁橋開裂過程仿真方法獲得的受力點底面正應力研究結果更加精準。

5結語

本文應用ANSYS模型對連續箱梁施工階段的應力和混凝土裂縫進行了模擬分析，得出如下結論：

（1）連續箱梁橋彎曲截面受正應力過大是引起開裂的主要原因。

（2）主梁橋的裂縫主要出現在施工階段，即在梁橋滿張力后，主拉應力達到最大值，此時裂縫分布區域與實際連續箱梁橋對應界面裂縫特征保持一致，底面和頂面正應力增加了裂縫區域正應力。

由于施工階段梁橋開裂位置變更不合理，導致整個預應力鋼束張拉過程受力分析結果不全面，因此，在今后研究過程中，應在特殊情況下分析梁橋結構，保證結構的安全性。

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