预应力混凝土连续刚构桥裂缝分析及加固

文/新疆新纪元公路设计有限责任公司　杨静

预施应力工艺最早出现在20世纪30年代，于20世纪50年代后取得了巨大发展。预应力混凝土连续刚构桥梁具备合理的受力状况与良好的行车性，在各类桥梁中占据着重要地位。大跨径预应力混凝土连续刚构桥跨越能力强，在地形复杂地区被广泛采用，但由于桥梁材料、自然环境及车辆载荷等因素，在实际营运中连续刚构桥会出现不同程度的病害损伤。病害多集中在桥梁中跨，中跨的挠度变形相对较大；桥梁不同部位的裂缝，将会削弱主梁截面的刚度，导致桥梁整体下挠。脆性材料结构是裂缝生成的主要部位，此处若出现拉应力大于材料抗拉强度时，会在材料内部颗粒之间产生微裂纹之后，持续扩展为贯通裂缝。本文采用ABAQUS有限元软件模拟了裂缝发展历程、抗弯承载力、应力状态，表明全加或者加底板纵向预应力钢束后，增强了桥梁内部跨中截面的抗弯承载力，采用顶底板全部施加体外预应力方案时，桥梁内没有出现拉应力，受力状况最好。

工程概况

某大跨径预应力混凝土桥梁为单箱单室三向预应力混凝土箱梁结构，跨径布置为75m、140m、75m，桥长290m，箱梁顶宽、底宽分别为22.5m、11.5m，根部断面中心线位置处梁高7.5m，跨中及边跨合龙梁段梁高为3.0m。顶板纵向预应力索规格为φj0.6″，锚具规格为OVMl5-25型，横向预应力索张拉端锚具为BM15-5型。竖向预应力钢筋为直径32mm的高强精轧螺纹钢，桥墩为双柱式空心薄壁桥墩。运营中跨箱梁腹板处出现裂缝，裂缝集中在靠近跨中14#梁块至16#梁块，最大裂缝长1.9m，宽度0.26mm，同时底板有部分纵向裂缝。

ABAQUS有限元模型

为了分析受力最不利的14#梁块至16#梁块，建立ABAQUS有限元分析软件，模型内部包含有混凝土、钢筋以及裂缝面等几何实体，混凝土用3D应力线形减缩单元C3D8R单元设置，六面体单元网格，钢筋用线形桁架T3D2单元设置。由于裂缝附近为高应力区域与应变场量梯度较高，此处的网格必须细化。为了实现将钢筋与混凝土黏结，可以借助Embedded技术。

模拟裂缝发展

在较易产生裂缝的区域内可以根据裂缝走向建立初始裂缝，根据裂缝扩展准则，最大主应力为2060kPa，损伤准则为线性软化，最大损伤为退化模型，设置裂纹扩展准则即为最大主应力准则，则当单元所受应力大于最大主应力准则时，生成的裂缝垂直于最大主应力方向。为了研究裂缝产生过程，施加外荷载划分为380子步，选取部分子步查看裂缝发展云图，如图1所示。

图1 裂缝发展历程云图

通过ABAQUS有限元分析软件模拟可直观认识裂缝发展历程中应力及形态的变化。如图1(a)所示，第5子步中初始阶段裂缝尖端范围内裂缝应力开始减小，之后继续施加荷载，在第30子步云图中裂缝中间转折范围内出现了较之前范围更大的淡蓝色应力区，表明裂缝周围区域应力再次减小，在第150子步云图中，裂缝中部范围内应力几乎为零，裂缝面中部法向出现了应力渐变区域，此处的裂缝尖端处应力呈现增大趋势，在第180子步云图中，裂缝中间处应力持续减小，而尖端处的应力反而持续增大，特别是在尖端处有应力集中现象出现。

裂缝加固

裂缝降低了混凝土桥梁承重构件的承载力和截面刚度，同时也降低了桥梁结构的使用寿命和使用性能，导致桥梁的安全性、可靠性与耐久性大打折扣。为了保证桥梁正常运行，维修裂缝、加固桥梁十分必要。裂缝加固的主要方案有体外预应力加固，碳纤维材料加固，黏贴钢板加固。按照力学可以将裂缝加固方案，分为主动加固和被动加固两大类。主动加固是指在加固材料上预先施加力，通过接触传递到混凝土截面上，抵消荷载在混凝土截面作用的主应力，最终减小闭合裂缝。被动加固是指借助加固材料和混凝土结构接触，来抵消荷载作用在混凝土截面上的力。

图2 跨中区域抗弯承载力的变化　

图3 斜截面主拉应力的变化

图4 截面正应力的变化

裂缝加固分析

预应力混凝土连续刚构桥跨度比连续梁桥或简支梁桥大，连续刚构桥从施工到运营桥梁各部受力都相对复杂。若桥梁内部材料拉压应力大于黏结力和材料强度，材料接触面会出现分离，进而发展成微观裂纹，微观裂纹间进一步相互融合贯通，最后将生成宏观裂缝。裂缝产生的原因不同，可以分为荷载裂缝、收缩裂缝、温度裂缝、腐蚀裂缝及沉降裂缝。对大量预应力混凝土连续刚构桥的实际研究表明，荷载裂缝对桥梁影响较大，荷载裂缝产生的主要原因，在于较大的外加载荷对桥梁构件产生的主拉应力大于材料抗拉强度。根据荷载裂缝产生的位置和分布形式，可以分为腹板斜裂缝、顶板横向裂缝、中跨箱梁底横向裂缝、纵向裂缝、横隔板裂缝。

受力状况分析

由于中跨四分点位置剪应力较大，剪切裂缝的腹板裂缝表现最为突出，表现为里裂缝长度长，宽度大，从中跨四分点处向跨中发展，此裂缝削弱了主梁刚构，导致主梁下挠。采用黏贴钢板的方式增大截面刚度或施加预压应力，可以实现加固桥梁的效应。为了对比分析不同加固方案的加固效果，可对不同位置处施加预应力钢束法，再做进一步分析。

按照箱梁截面体外力不同的布置方式，分别对利用顶板体外预应力钢束、利用底板体外预应力钢束、加顶底板钢束及不加钢束4种不同方案分类研究。以上4种方案使用的钢束预应力都为930MPa，通过数值模拟可了解在不同位置施加预应力后截面抗弯承载力、最大正应力和最大主拉应力值的大小关系，分析各类方案的优劣。

如图2所示，全加或者加底板纵向预应力钢束后抗弯承载力的值较大，表明底板纵向预应力钢束增强了桥梁内部跨中截面的抗弯承载力，而施加顶板束对提高桥梁结构的承载力无明显影响。如图3所示，在桥梁结构顶部施加体外预应力钢束后，可以显著提高桥梁内部的斜截面主拉应力，表明顶部施加体外预应力钢束可以有效加固结构斜截面的裂缝。

如图4所示，大约桥梁截面100m位置处，正应力出现负值区域，说明此处截面的桥梁内部受拉，对桥梁结构的三种不同部位施加体外预应力钢束。模拟结果表明，当采用顶底板全部施加体外预应力方案时，桥梁内部没有出现拉应力，受力情况最好，顶板部位施加体外预应力对结构正应力的控制一般，施加底板预应力钢束对控制结构最大正应力的作用不显著。

结语

通过ABAQUS有限元分析软件模拟直观认识裂缝发展历程中应力及形态的变化。初始阶段裂缝尖端范围内裂缝应力开始减小，后继续施加荷载，裂缝中间范围内应力几乎为零，而尖端处有应力集中现象出现，全加或者加底板纵向预应力钢束后增强了桥梁内部跨中截面的抗弯承载力，而施加顶板束后对提高桥梁结构的承载力无明显影响。在桥梁结构顶部施加体外预应力钢束后，可以有效加固结构斜截面的裂缝，采用顶底板全部施加体外预应力方案时，桥梁内没有出现拉应力，受力情况最好，顶板部位施加体外预应力对结构正应力的控制一般，施加底板预应力钢束对控制结构最大正应力的作用不显著。