地震荷载下连续刚构桥腹板裂缝及稳定性分析

2024-03-04熊超华

四川水泥 2024年2期

许阳熊超华

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100010)

0 引言

预应力连续刚构桥主要结构特性为适用范围广、跨越能力大，因此在桥梁建设过程中被广泛应用。连续刚构桥主梁连续，桥墩与主梁固结。桥跨内无伸缩缝，因此行车较为平顺。刚构桥采用墩梁固接，不需要设置主墩支座，施工过程中常采用悬臂法施工，主梁与桥墩固接可减小跨中正弯矩，可大幅度提高桥梁跨越能力。目前我国山区高速公路中主要的桥梁形式是预应力连续刚构桥。随着使用时间的增加，连续刚构桥安全性得不到有效的保证，病害呈现多发的趋势，其箱梁开裂问题尤为突出，尤其是在地震多发地区的刚构桥的稳定性更是需要引起高度的重视，因此对地震荷载下连续刚构桥腹板裂缝及其稳定性进行分析具有实用价值。

1 关于裂缝的研究

1.1 概述

研究材料在裂纹及缺陷作用下的破坏行为规律的学科即为断裂力学。断裂力学主要有两个学科分类，一个是线弹性断裂力学，其理论是把材料看为刚性材料，其断裂过程与材料塑性无关。它只考虑线弹性条件下材料在载荷作用下出现的应力集中、应变集中等问题，从而得到开裂条件、应力强度因子等参数。这种方法常常用于脆性材料的破坏分析，例如陶瓷、玻璃等。第二个是弹塑性断裂力学，对于一些更加韧性的材料如钢铁、铝合金等，则需要使用弹塑性断裂力学。这种方法将考虑到材料的塑性变形和损伤过程，根据塑性条带理论也可以计算撕裂区域内的应力和应变分布。在断裂力学的研究中，针对不同种类的材料，也提出了相应的损伤模型和断裂准则。如对于纤维增强复合材料，常常采用能量释放率法来描述其破坏行为，而对于有机玻璃等脆性材料，则使用最大主应力准则来计算其断裂极限。

1.2 应力强度因子

反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。应力在裂纹尖端有奇异性（见图1所示），而应力强度因子在裂纹尖端为有限值。

图1 裂缝尖端应力奇异性

在断裂力学理论中，应力强度因子作为该理论的基本概念始终贯穿其中。由图1可知，离裂纹尖端越近，应力越接近无穷大。

从图1可以看出：当裂尖材料发生较大变形的情况下，对于裂尖部分，线弹性理论已经无法适用。裂纹尖端附近的应力场强度可以通过应力强度因子有效描述，与此同时，判断裂纹是否进入失稳状态，可以通过应力强度系数这样一个因素，消除裂纹尖端的奇异应力可以引入该参数。应力强度因子针对脆性材料的处理有着很好的匹配度，例如玻璃等，其只适用于弹性阶段，应力强度因子因结构几何尺寸、裂纹位置、裂纹大小以及材料特性而异，还受外部荷载大小的影响[1]。

发生断裂时的受力是非常复杂的，为方便研究分析，可以把断裂问题划分为三个基本模型：纯剪切断裂模型、纯拉伸断裂模型、纯撕裂模型。

破裂问题均可视为是三种基本模型相互作用而成，应力强度因子也可划分成三种：

（1）拉伸型应力强度因子，此时断裂处只受垂直于裂纹面的拉应力影响；

（2）剪切型应力强度因子，此时断裂处只受垂直于裂缝前沿且平行于裂纹面的剪应力影响；

（3）撕裂型应力强度因子，此时断裂处受到平行于裂纹前沿和裂纹面的剪切力影响。

基于断裂力学基础理论，裂缝的蔓延应当符合以下条件：Kic≤Ki。其中Ki代表物料的应力强度因子，跟载荷规模及预设裂隙规模相关；而Kic代表材质断裂韧性，与加载速率、材质特性相关。随着我国试验技术的快速发展，多种试验方法可用于测定Kic。本文列举了材料断裂韧性Kic的一种试验方法：

SENB单切口弯曲样品，应力强度因子K计算公式如下所示[2]：

式中：

B——样品梁宽，m；

W——样品梁高，m；

P——荷载，kN；

a——裂缝长度，m。

SENB受力示意图见图2所示。

图2 SENB受力示意图

1.3 裂缝种类

（1）弯曲型裂缝：导致该裂缝产生的主要方面有：设计原因、施工原因、多余永久荷载的原因以及次应力及超载的原因等。其中，设计原因为抗弯承载力设计值过低等。施工原因包括混凝土浇筑不均匀、混凝土形变预应力减小、养护不当等。多余永久荷载是设计或施工误差导致的，如材料质量不达标、结构尺寸偏大或者变形等。次应力及超载则是支座高度不符和桥墩沉降不均引起的次应力，交通运输量过大或运输车辆超重等导致。弯曲型裂缝对预应力效应影响较大，尤其在活载反复作用下，往往会对预应力效应造成严重影响。对已经存在的弯曲型裂缝，应尽早进行检修和维护。弯曲型裂缝具有扩展性和交错分布性，严重的情况可能会导致桥梁结构失稳和崩溃[3]。

（2）剪切型裂缝：此类断裂出现在支撑节点和相邻横向尺寸变化的剖面之间，如果发生剪切破裂，就可能导致预应力钢筋屈服和疲劳受损，其起源类似于弯曲破裂。剪切破裂数量众多，且开口方向与纵向夹角大约为45°左右。同时，剪切破裂的原因还包括未考虑垂直预应力的作用、计算剪力时截面横向认为是僵硬的且无法变形、横隔板降低了垂直预应力效应、垂直预应力效应难以掌控以及支撑位置不当等因素。

2 地震荷载下腹板裂缝成因及分布规律与措施

2.1 腹板裂缝成因

地震是导致结构倒塌和损坏的主要自然灾害之一，对桥梁等大型工程结构也会产生较为明显的影响。地震荷载特点是强烈的振动作用，其特定频率与结构共振频率相同或接近时，将导致结构产生严重破坏。而连续刚构桥由于其在横向上具有较高的抗弯承载能力，在地震作用下通常会出现竖向振动引起的部件变形、裂缝等现象。首先，在地震波作用下，连续刚构桥梁受到竖向振动，其梁体由于异常加剧的竖向变形造成腹板内力变化，同时腹板自身受到剪应力和扭曲应力的影响，进而产生裂缝和破坏。其次，地震波会对桥墩产生冲击作用，引起桥基础底部土层的变形及负荷传递，导致桥梁整体产生位移和变形。这两种效应共同作用下，将加剧腹板内力的变化并使其裂缝更容易出现在极限截面上。

2.2 裂缝分布规律

连续刚构桥在地震荷载作用下，腹板长轴方向上主要出现水平方向的拉伸切应力。当切应力超过钢筋、混凝土抗拉强度时，在腹板混凝土受到拉伸破坏之前将形成较宽的裂缝。同时，由于反复加载造成大量微小裂缝并发展至宏观裂缝。对于支座以外的连续刚构桥来说，在地震发生时，通常是靠近截面中点的位置最容易产生裂缝。因为这个区域的腹板受到最大弯矩影响，在地震荷载作用下腹板内力剧增，超过其抗弯承载能力时会发生破坏。对于支座区段，由于支座处对应着结构受力转移的特定位置，通常是该位置发生裂缝。

2.3 减少裂缝问题的措施

关于如何解决预应力混凝土箱梁裂缝的问题一直是结构工程领域的难点之一。裂缝会严重影响混凝土箱梁的承载能力、使用寿命和安全性，因此如何有效预防和控制裂缝产生至关重要。

在最初的设计过程中，为了有效地降低混凝土箱梁裂缝产生的风险，一般采用以下三种方法：（1）采取预留结构缝；（2）增强构造钢筋的配置；（3）调整边界条件等预防措施。同时，即使在设计上做好了预防措施，在施工过程中首先需要严格控制混凝土的配合比，以及施工浇筑的质量，在现场要加强混凝土的养护，有效地控制好混凝土表面的温度梯度，避免因升降温差导致裂缝产生。这需要施工方在各个环节中进行精细化管控，严格执行施工规范和标准操作程序。不仅如此，在桥梁运营过程中极端活载情况也可能引起混凝土结构产生裂缝。因此，为了保证桥梁在日常使用期间的受力状态能够处于合理的弹性阶段，需要做到对支座、伸缩缝等构件的定期检查。此外，加强对桥梁的维护保养工作也是非常重要的，可以有效地延长桥梁的使用寿命和提升安全性。

3 刚构桥腹板裂缝稳定性分析

为了研究地震荷载对连续刚构桥腹板裂缝稳定性的影响，本文使用有限元软件对一座典型的连续刚构桥进行了模拟，并得到了基于地震荷载下连续刚构桥腹板裂缝的稳定性相关参数数据。在完全弹性阶段内（Yoshimura 地震波），在沿中央竖向对称轴处发生破坏前，该连续刚构桥的最大节点位移达到0.16m，最大主应力为130MPa；当从弹性阶段进入弹塑性阶段（El Centro地震波），最大节点位移为0.31m，最大主应力为290MPa。在以上两个阶段中，虽然存在腹板裂缝，但其宽度和深度均较小，不影响桥梁的使用寿命。随着地震波的进一步加剧，连续刚构桥在颤动区域内发生了较为严重的破坏，在次要竖向对称轴处出现了明显的裂缝。当从弹塑性阶段进入破坏阶段（Kobe 地震波）时，最大节点位移突破1m，主应力达到450MPa；裂缝宽度和深度也随之增加。此时，腹板裂缝开始影响桥梁整体的刚度、耐久性等特性。综上结果，进行参数敏感性分析，得到以下结论：随着墩高比和跨径长度的减小，结构承受能力降低；节点间距或腹板厚度变小时，局部承载能力降低；裂缝宽度、深度等参数随时间发展变化呈现出多种规律，对结构整体影响程度不同。