文/新疆新紀元公路設(shè)計有限責任公司　楊靜

預(yù)施應(yīng)力工藝最早出現(xiàn)在20世紀30年代，于20世紀50年代后取得了巨大發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁具備合理的受力狀況與良好的行車性，在各類橋梁中占據(jù)著重要地位。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力強，在地形復(fù)雜地區(qū)被廣泛采用，但由于橋梁材料、自然環(huán)境及車輛載荷等因素，在實際營運中連續(xù)剛構(gòu)橋會出現(xiàn)不同程度的病害損傷。病害多集中在橋梁中跨，中跨的撓度變形相對較大；橋梁不同部位的裂縫，將會削弱主梁截面的剛度，導致橋梁整體下?lián)?。脆性材料結(jié)構(gòu)是裂縫生成的主要部位，此處若出現(xiàn)拉應(yīng)力大于材料抗拉強度時，會在材料內(nèi)部顆粒之間產(chǎn)生微裂紋之后，持續(xù)擴展為貫通裂縫。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了裂縫發(fā)展歷程、抗彎承載力、應(yīng)力狀態(tài)，表明全加或者加底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束后，增強了橋梁內(nèi)部跨中截面的抗彎承載力，采用頂?shù)装迦渴┘芋w外預(yù)應(yīng)力方案時，橋梁內(nèi)沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，受力狀況最好。

工程概況

某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁為單箱單室三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為75m、140m、75m，橋長290m，箱梁頂寬、底寬分別為22.5m、11.5m，根部斷面中心線位置處梁高7.5m，跨中及邊跨合龍梁段梁高為3.0m。頂板縱向預(yù)應(yīng)力索規(guī)格為φj0.6″，錨具規(guī)格為OVMl5-25型，橫向預(yù)應(yīng)力索張拉端錨具為BM15-5型。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋為直徑32mm的高強精軋螺紋鋼，橋墩為雙柱式空心薄壁橋墩。運營中跨箱梁腹板處出現(xiàn)裂縫，裂縫集中在靠近跨中14#梁塊至16#梁塊，最大裂縫長1.9m，寬度0.26mm，同時底板有部分縱向裂縫。

ABAQUS有限元模型

為了分析受力最不利的14#梁塊至16#梁塊，建立ABAQUS有限元分析軟件，模型內(nèi)部包含有混凝土、鋼筋以及裂縫面等幾何實體，混凝土用3D應(yīng)力線形減縮單元C3D8R單元設(shè)置，六面體單元網(wǎng)格，鋼筋用線形桁架T3D2單元設(shè)置。由于裂縫附近為高應(yīng)力區(qū)域與應(yīng)變場量梯度較高，此處的網(wǎng)格必須細化。為了實現(xiàn)將鋼筋與混凝土黏結(jié)，可以借助Embedded技術(shù)。

模擬裂縫發(fā)展

在較易產(chǎn)生裂縫的區(qū)域內(nèi)可以根據(jù)裂縫走向建立初始裂縫，根據(jù)裂縫擴展準則，最大主應(yīng)力為2060kPa，損傷準則為線性軟化，最大損傷為退化模型，設(shè)置裂紋擴展準則即為最大主應(yīng)力準則，則當單元所受應(yīng)力大于最大主應(yīng)力準則時，生成的裂縫垂直于最大主應(yīng)力方向。為了研究裂縫產(chǎn)生過程，施加外荷載劃分為380子步，選取部分子步查看裂縫發(fā)展云圖，如圖1所示。

圖1 裂縫發(fā)展歷程云圖

通過ABAQUS有限元分析軟件模擬可直觀認識裂縫發(fā)展歷程中應(yīng)力及形態(tài)的變化。如圖1(a)所示，第5子步中初始階段裂縫尖端范圍內(nèi)裂縫應(yīng)力開始減小，之后繼續(xù)施加荷載，在第30子步云圖中裂縫中間轉(zhuǎn)折范圍內(nèi)出現(xiàn)了較之前范圍更大的淡藍色應(yīng)力區(qū)，表明裂縫周圍區(qū)域應(yīng)力再次減小，在第150子步云圖中，裂縫中部范圍內(nèi)應(yīng)力幾乎為零，裂縫面中部法向出現(xiàn)了應(yīng)力漸變區(qū)域，此處的裂縫尖端處應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，在第180子步云圖中，裂縫中間處應(yīng)力持續(xù)減小，而尖端處的應(yīng)力反而持續(xù)增大，特別是在尖端處有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。

裂縫加固

裂縫降低了混凝土橋梁承重構(gòu)件的承載力和截面剛度，同時也降低了橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命和使用性能，導致橋梁的安全性、可靠性與耐久性大打折扣。為了保證橋梁正常運行，維修裂縫、加固橋梁十分必要。裂縫加固的主要方案有體外預(yù)應(yīng)力加固，碳纖維材料加固，黏貼鋼板加固。按照力學可以將裂縫加固方案，分為主動加固和被動加固兩大類。主動加固是指在加固材料上預(yù)先施加力，通過接觸傳遞到混凝土截面上，抵消荷載在混凝土截面作用的主應(yīng)力，最終減小閉合裂縫。被動加固是指借助加固材料和混凝土結(jié)構(gòu)接觸，來抵消荷載作用在混凝土截面上的力。

圖2 跨中區(qū)域抗彎承載力的變化　

圖3 斜截面主拉應(yīng)力的變化

圖4 截面正應(yīng)力的變化

裂縫加固分析

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨度比連續(xù)梁橋或簡支梁橋大，連續(xù)剛構(gòu)橋從施工到運營橋梁各部受力都相對復(fù)雜。若橋梁內(nèi)部材料拉壓應(yīng)力大于黏結(jié)力和材料強度，材料接觸面會出現(xiàn)分離，進而發(fā)展成微觀裂紋，微觀裂紋間進一步相互融合貫通，最后將生成宏觀裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因不同，可以分為荷載裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫、腐蝕裂縫及沉降裂縫。對大量預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實際研究表明，荷載裂縫對橋梁影響較大，荷載裂縫產(chǎn)生的主要原因，在于較大的外加載荷對橋梁構(gòu)件產(chǎn)生的主拉應(yīng)力大于材料抗拉強度。根據(jù)荷載裂縫產(chǎn)生的位置和分布形式，可以分為腹板斜裂縫、頂板橫向裂縫、中跨箱梁底橫向裂縫、縱向裂縫、橫隔板裂縫。

受力狀況分析

由于中跨四分點位置剪應(yīng)力較大，剪切裂縫的腹板裂縫表現(xiàn)最為突出，表現(xiàn)為里裂縫長度長，寬度大，從中跨四分點處向跨中發(fā)展，此裂縫削弱了主梁剛構(gòu)，導致主梁下?lián)?。采用黏貼鋼板的方式增大截面剛度或施加預(yù)壓應(yīng)力，可以實現(xiàn)加固橋梁的效應(yīng)。為了對比分析不同加固方案的加固效果，可對不同位置處施加預(yù)應(yīng)力鋼束法，再做進一步分析。

按照箱梁截面體外力不同的布置方式，分別對利用頂板體外預(yù)應(yīng)力鋼束、利用底板體外預(yù)應(yīng)力鋼束、加頂?shù)装邃撌安患愉撌?種不同方案分類研究。以上4種方案使用的鋼束預(yù)應(yīng)力都為930MPa，通過數(shù)值模擬可了解在不同位置施加預(yù)應(yīng)力后截面抗彎承載力、最大正應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值的大小關(guān)系，分析各類方案的優(yōu)劣。

如圖2所示，全加或者加底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束后抗彎承載力的值較大，表明底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束增強了橋梁內(nèi)部跨中截面的抗彎承載力，而施加頂板束對提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力無明顯影響。如圖3所示，在橋梁結(jié)構(gòu)頂部施加體外預(yù)應(yīng)力鋼束后，可以顯著提高橋梁內(nèi)部的斜截面主拉應(yīng)力，表明頂部施加體外預(yù)應(yīng)力鋼束可以有效加固結(jié)構(gòu)斜截面的裂縫。

如圖4所示，大約橋梁截面100m位置處，正應(yīng)力出現(xiàn)負值區(qū)域，說明此處截面的橋梁內(nèi)部受拉，對橋梁結(jié)構(gòu)的三種不同部位施加體外預(yù)應(yīng)力鋼束。模擬結(jié)果表明，當采用頂?shù)装迦渴┘芋w外預(yù)應(yīng)力方案時，橋梁內(nèi)部沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，受力情況最好，頂板部位施加體外預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)正應(yīng)力的控制一般，施加底板預(yù)應(yīng)力鋼束對控制結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力的作用不顯著。

結(jié)語

通過ABAQUS有限元分析軟件模擬直觀認識裂縫發(fā)展歷程中應(yīng)力及形態(tài)的變化。初始階段裂縫尖端范圍內(nèi)裂縫應(yīng)力開始減小，后繼續(xù)施加荷載，裂縫中間范圍內(nèi)應(yīng)力幾乎為零，而尖端處有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，全加或者加底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束后增強了橋梁內(nèi)部跨中截面的抗彎承載力，而施加頂板束后對提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力無明顯影響。在橋梁結(jié)構(gòu)頂部施加體外預(yù)應(yīng)力鋼束后，可以有效加固結(jié)構(gòu)斜截面的裂縫，采用頂?shù)装迦渴┘芋w外預(yù)應(yīng)力方案時，橋梁內(nèi)沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，受力情況最好，頂板部位施加體外預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)正應(yīng)力的控制一般，施加底板預(yù)應(yīng)力鋼束對控制結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力的作用不顯著。