倒箱形截面门式框架斜桥顶板底面斜向裂缝成因分析

卢江波, 方鸿, 戴小冬

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410008)

1 工程概况

某两跨倒箱形截面门式框架钢筋混凝土斜桥，跨径布置为2×18.3 m，如图1所示，斜交角25°，门式框架结构净高8.0 m，顶部建筑高度为4.97～6.15 m；下部结构采用桩柱式墩台，其中桥台位置柱直径1.2 m，墩柱直径1.0 m，桩基础分别采用1.2 m和1.0 m人工挖孔桩；主梁采用倒箱形钢筋混凝土截面，其中底板设置纵横向混凝土加劲肋；桥面布置为7 m行车道，行车道两侧各布置5.15 m绿化带、0.35 m护栏以及1.5 m人行道。主梁与下部桥墩固结。

图1 门式框架斜桥桥型布置图(单位：cm)

门式框架斜桥在通车运营2年后，1#墩左侧5 m范围内及右侧8 m范围内顶板底面出现斜向裂缝(裂缝位置有白色结晶物生成)，如图2所示。考虑该桥为斜桥，空间效应较为显著，采用通用有限元软件Ansys 15.0建立三维实体有限元模型进行分析，以期得到顶板底面斜裂缝产生的确切原因，为该桥的维修加固提供科学依据。

图2 顶板底面裂缝分布(单位：cm)

2 计算模型建立

(1)有限元模型建立

门式框架斜桥实体有限元模型如图3所示，桩底固结，模型尺寸均按现场实测结果给定。斜桥上部钢筋混凝土结构采用分离式建模方式，混凝土和钢筋采用不同的单元处理，其中混凝土采用Solid45实体单元(图3)，钢筋采用Link8 3D杆单元模拟，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。底板翼缘上方的预制板、砖墙以及植被绿化等以荷载形式进行模拟。

图3 门式框架实体有限元模型

钢筋与混凝土的材料特性按JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行取值，材料特性如表1所示。

表1 混凝土及钢筋的材料特性

(2)计算参数

实体有限元模型中的相关计算参数如下：

恒载：结构自重+底板翼缘上方的预制板、砖墙、绿化带+桥面二期铺装以及人行道板、栏杆等。

活载：城-B级车辆荷载+人群荷载。

梯度温度：按相关规范取值，梯度温升时，桥面板表面的最高温度T1=14 ℃，桥面板下100 mm位置T2=5.5 ℃；梯度温降为正温差乘以-0.5。

墩台沉降：根据实际检测结果，无明显迹像表明墩台出现沉降，因此，计算中不考虑墩台沉降。

整体温升/温降：±25 ℃。

根据以上各单项荷载作用下，1#墩位置主梁顶板底部的应力计算结果，确定1#墩位置顶板底面受力最不利荷载组合为：恒载+活载+整体温降25 ℃+梯度温升。

3 计算结果分析

最不利组合作用下顶板底面主拉应力及其方向如图4所示，黑色区域混凝土主拉应力超过抗拉强度设计值(2.4 MPa)，但是这些区域与裂缝实际分布区域(图2)不符，而且根据主拉应力方向绘制的可能裂缝方向也与实际裂缝方向不符，此外，1#墩附近顶板底面主拉应力较小，这表明：除恒载、活载、整体温度以及梯度温度等作用外，必然存在某个未考虑到但对顶板底面应力影响很大的作用。

图4 最不利组合下顶板底面主拉应力及其方向

由图1(b)箱梁横断面可以发现，箱梁腹板与外界被纵向加劲肋、砖墙和预制板形成的空箱室以及绿化植被隔开，考虑到空箱室以及绿化植被的隔热效果，箱梁在整体升降温过程中，箱梁的顶板和腹板之间应该存在一个温差。

该文取10 ℃温差进行分析，具体为整体温升时，顶板升温25 ℃，腹板升温15 ℃；降温时，顶板降温25 ℃，腹板降温15 ℃。新的最不利荷载组合为：恒载+活载+整体温降(顶板腹板考虑10 ℃温差)+梯度温升。

新最不利组合作用下顶板底面主拉应力及其方向如图5所示。由图5(a)可知：多区域混凝土主拉应力超过抗拉强度设计值(2.4 MPa)，并且1#墩附近区域主拉应力明显超过混凝土的抗拉强度设计值，最大达到4.19 MPa，而且根据主拉应力方向绘制的可能裂缝方向也与实际裂缝方向吻合。单独考虑整体降温顶/腹板温差作用下顶板底面主拉应力及其方向如图6所示。由图6(a)可以看出：在该单项荷载作用下，1#墩附近区域的主拉应力超过了混凝土抗拉强度设计值(最大达到3.5 MPa)，并且其可能裂缝方向也与实际裂缝方向吻合。但考虑到实际情况中主梁顶板与腹板的温差不一定达到10 ℃，故可认为造成1#墩附近主梁顶板底面斜向裂缝是由恒载、活载、梯度温度以及顶/腹板不均匀温升等联合作用造成的，其中绿化带及腹板外侧空箱室阻碍腹板与外界热传播，导致整体升降温时顶板与腹板存在温差，进而使得顶板底面出现附加温度应力，导致顶板底面出现斜裂缝。

图5 新最不利组合下顶板底面主拉应力及其方向

与原最不利组合一样，新最不利组合作用下也有部分区域主拉应力超限(图5)，但实际检测中并未发现这些区域裂缝的存在，原因是计算中各项作用均采用极限状态，实际上，过去2年的运营过程中，这些作用可能未达到极限状态或者所有作用未同时达到极限状态。

4 结论

通过建立三维实体有限元模型，对某两跨倒箱形截面门式框架斜桥1#墩附近顶板底面斜向裂缝成因进行了分析，得到了该位置斜向裂缝产生的主要原因，即箱梁腹板外侧的空箱室和绿化带将腹板与外界隔离，阻碍腹板与外界的热传递，导致整体升降温过程中，腹板与顶板存在温差，进而使得顶板底面存在附加温度应力。分析结果为该桥后续的加固设计提供了可靠依据。

图6 顶/腹板温差10 ℃时顶板底面主拉应力及其方向