预应力混凝土T梁连续刚构桥裂缝分析

2017-03-27李嘉维

福建交通科技 2017年1期

关键词：翼缘板温度梯度刚构桥

■李嘉维

（阳光学院，福州350015）

预应力混凝土T梁连续刚构桥裂缝分析

■李嘉维

（阳光学院，福州350015）

针对预应力混凝土连续T梁刚构桥的主梁裂缝的现状，结合精细有限元模型和空间应力分布状态裂缝成因、现状和发展趋势进行了分析。首先介绍了桥梁开裂的基本情况，其次结合环境振动测试建立了3×40m的预应力混凝土连续T梁刚构桥的的基准有限元模型。最后，对桥梁的开裂原因及其对当前使用状态的影响进行分析。结果表明，桥梁开裂由温度和正、负弯矩区预应力共同作用引起，温度应力是纵向开裂的主要原因，应对桥梁进行加固，并进行后续观察。

T梁连续刚构桥基准有限元模型裂缝成因温度预应力

0 绪论

表面开裂是混凝土桥梁结构常见的病害，也是桥梁工作状态的最直观的表现。混凝土桥梁结构的病害分析是进行桥梁安全性能评估的基础工作，是进行维修或加固的依据[1-2]。桥梁的裂缝分为结构性和非结构性的裂缝，引起桥梁病害的原因也非常多，包括施工阶段的原因和运营的荷载作用等，而且裂缝的产生原因经常多方面综合作用[3-4]。目前，裂缝分析的方法很多，主要有基于理论公式的方法和基于有限元的空间应力状态分析的方法，其中后一种方法由于对应力的准确分析在桥梁结构的开裂原因分析中得到了广泛[5-9]。预应力连续T梁刚构桥由于固结且存在负弯矩区预应力，其受力状态与一般连续梁桥和预应力混凝土箱梁刚构桥都有所不同，且平面应力状态难以分析。因此，结合一座预应力T梁连续刚构桥的主梁病害，结合空间有限元模型和应力分析，对其病害原因进行分析，以利于后续维修加固。

1 概述

1.1 桥梁概况

该桥上部结构采用多联3×40m预应力混凝土T梁连续刚构桥，每跨桥由5片T梁组成。其中，16号,17号,18号桥墩为3.0×6.5m的矩形薄壁式桥墩，平均墩高分别为52.75m，52.92m和49.44m，采用C40混凝土，图1为该桥照片。

1.2 外观检查

由于该桥施工时变更较多，梁体及下部结构可能存在不同程度的缺陷，主要病害为桥梁主梁裂缝。其中，T梁梁体出现未超限宽纵向裂缝10条，缝宽0.10～0.18mm，缝长48.3m，主要分布在T梁两侧翼板上；超限宽纵向裂缝11条，缝宽0.20～0.30mm，缝长97.9m，主要分布在T梁两侧翼板上。出现未超限宽斜向裂缝3条，缝宽0.10～0.18mm，缝长3.1m，主要分布在T梁两侧翼板上；超限宽斜向裂缝3条，缝宽0.20～0.24mm，缝长2.9m，主要分布在T梁两侧翼板上。图2为裂缝照片。

图1 某大桥照片

图2 梁体典型裂缝

2 基准有限元模型的建立

通过环境振动测试和模态分析，共得到竖向前四阶，横向前两阶和纵向一阶的频率和振型，见表1，并采用模态保证率MAC指标表示的实测动力特性和计算动力特性的相关程度[10]。进一步，采用ANSYS软件建立有限元模型，全桥有限元模型共有单元22360个，节点35375个，有限元模型见图3。

在有限元模型中，全桥采用Solid45单元模拟，用Combin14单元模拟桥两端支座。并通过实测频率对模型进行修正[11]，得到基本材料特性。其中，T梁、横隔板、现浇混凝土C55混凝土，弹性模量E=4.26×104MPa，密度为2.55×103kg/m3,；承台C30混凝土，弹性模量E=3×104MPa，密度为2.55×103kg/m3；桥面板、桥墩墩身C40混凝土弹性模量E=3.9×104MPa，容重密度为2.55×103kg/m3。根据实际位置施加约束，对主桥桥墩承台底面节点固结，模拟实际的固结状况。在桥梁两端截面的节点竖向固结同时添加纵向和横向弹簧约束，经修正，纵向弹簧刚度取1.9× 106N/m，横向弹簧刚度取8.0×108N/m；桥面伸缩缝通过采用纵向，横向弹簧单元模拟，纵向弹簧刚度取3.0×104N/m，横向弹簧刚度取1.0×104N/m。

修正后，实测和计算频率吻合较好，误差基本在5%以内，从MAC计算结果来看，实测和计算的振型吻合良好（见表1）。说明所建立的模型能够反映桥梁的当前状态，可以进一步用于桥梁的病害分析。

表1 实测与计算动力特性

3 桥梁开裂分析

由于该桥的裂缝主要出现在翼缘板，因此分析实际荷载作用下翼缘板的应力分布，并对可能的裂缝宽度进行分析。对两端、跨中的应力进行分析，应变提取节点见图4。

3.1 纵向应力分析

考虑车辆荷载、自重和预应力作用，T梁纵向处于受压状态，因此T梁翼缘板两侧将不会出现横向开裂，这与实际裂缝观察一致。

图3 有限元模型空间图

图4 计算截面应变计算节点布置图

3.2 翼缘板横向应力计算

3.2.1 自重和活载作用翼缘板横向应力计算

根据计算结果，16、17号墩墩顶两侧1-5号T梁两侧翼缘板在自重及车道荷载组合作用下横向应变基本都为压应变，不会超过C55混凝土极限抗拉应变（77.2με）；考虑预应力效应，因此T梁翼缘板两侧将不会出现开裂，说明T梁翼缘板两侧纵向裂缝，不是由自重及活载引起的。

3.2.2 负弯矩预应力筋作用翼缘板横向应力计算

在布置在墩顶两侧的预应力筋的作用下，在翼缘板顶部和底部均会产生横向拉应变。其中，梁底最大拉应变可达到19.5με，小于C55混凝土极限抗拉强度（77.2με），可见负弯矩预应力筋的作用可以使得翼板底部产生横向应变，但其单一作用并不能导致相应位置的混凝土纵向开裂，不是产生混凝土纵向开裂的主要原因。

3.2.3 正弯矩预应力筋作用翼缘板横向应力分析

由于正弯矩区的预应力的的锚固在T梁的两侧，同时由于桥梁平面弯曲。所以，在正弯曲区预应力筋的作用下，在靠近墩顶的翼缘板顶部和底部也都会产生横向拉应变。其中，翼板底最大拉应变可达到45.7με，虽小于C55混凝土极限抗拉强度（77.2με），但拉应变较大，是产生混凝土纵向开裂的主要原因之一。通过应力分布了解实际横向应力的分布状态，，中跨顶板横向基本已受拉为主，而翼缘板底部的横向应力分布则呈现出靠近墩顶位置以受拉为主，跨中两侧位置则以受压为主。

3.2.4 竖向温度梯度效应翼缘板横向应力分析

在竖向温度梯度效应作用下，翼缘板下表面将产生较大的横向拉应力，如图5所示。其中，红色区域表示横向应变超过66.8με的区域。竖向温度梯度效应作用下在最大横向应变达到91.3με，已超过C55混凝土极限抗拉强度（77.2με），表明混凝土将会开裂，且靠近纵梁两侧，即梁和翼缘板交接处拉应力更大。可以说，竖向温度梯度效应作用是翼缘板下缘开裂的最主要的原因，由此产生的裂缝分布也与检测的结果相一致。

图5 竖向温度梯度效应作用下横向应力云图

3.2.5 混凝土收缩作用翼缘板横向应力计算

以整体降温的方式模拟混凝土收缩作用引起的翼缘板横向应力，计算得到由于混凝土收缩引起的翼缘板横向应力最大不超过3με,受力很小。

3.3 基于实际应力分布的裂缝宽度计算

根据应力分析，引起该桥梁开裂的主要原因是竖向温差，正弯矩和负弯矩区的预应力作用也会差生横向的应力。因此，对这三种作用下的纵向裂缝宽度进行计算。

根据《公路桥规》[12]，最大裂缝宽度计算公式如下：

所以，Wfk=1.4×1.45×1×（390.2×10-6）×123.53=0.098mm计算的裂缝宽度小于实际观察到的裂缝宽度，主要原因是计算裂缝宽度值是基于设计理想状态的，而实际上结构混凝土强度存在偏差、混凝土施工质量及其缺陷、预应力筋张拉过大及部分预应力筋的偏位、温度梯度大于规范温度梯度等，都会导致计算裂缝宽度偏小。

4 结论

（1）某T型梁刚构连续梁桥所检查的3跨T梁，梁体裂缝较多，以纵向开裂为主，且大部分超限宽0.2mm，应及时修复。

（2）利用环境振动测试结果对桥梁有限元模型进行参数修正后，该T型梁刚构连续梁桥理论模态分析结果与实验模态分析结果比较吻合，表明所采用的计算参数和边界条件是基本正确的，修正后的有限元模型能够基本反映桥梁当前的真实状态。

（3）综合考虑桥墩的偏位作用、自重、汽车荷载、正、负弯矩区的预应力作用、竖向温度梯度作用以及混凝土收缩徐变做作用，认为造成T梁翼缘板底面纵向裂缝的最主要原因是竖向温度梯度作用，其次为正、负弯矩区的预应力作用，三者产生的最大横向拉应变分别为91.3με，45.7με和19.5με，在三者共同作用下混凝土应变超过了C55混凝土极限抗拉应变77.2με，且根据应力分布情况分析，产生的裂缝是实际观察到的裂缝基本一致。

（4）计算的裂缝宽度为0.098mm，小于实际观察到的裂缝宽度，主要原因是计算裂缝宽度值是基于设计理想状态的，而实际上结构混凝土强度存在偏差、混凝土施工质量及其缺陷、温度梯度大于规范温度梯度等都可能导致计算裂缝宽度偏小。

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