趙韋皓，郭志光，張凡，呂柏行

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073）

1 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合了連續(xù)梁式橋與T 形剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力分配合理，施工簡單，在當(dāng)前世界橋梁領(lǐng)域獲得了普遍的使用，但隨著連續(xù)剛構(gòu)橋跨度不斷增加，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在實(shí)際使用過程中的跨中下?lián)?、墩頂?fù)彎矩區(qū)開裂等病害問題不斷凸顯，這些病害不僅會(huì)對結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性造成影響，也是目前制約該類橋型向更大跨度發(fā)展的主要因素。

隨著混凝土斷裂力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對混凝土的斷裂力學(xué)及其理論行為的了解也進(jìn)一步深入，斷裂力學(xué)相關(guān)學(xué)者把混凝土斷裂的發(fā)展過程分為了以下3 個(gè)階段：初始斷裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)破裂[1]。連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中產(chǎn)生的裂紋也屬于初始裂紋，包含箱梁頂板裂紋、底板開裂、腹板裂紋、橫隔墻板裂紋等。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫種類

連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的產(chǎn)生及類型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、材料特性等多因素相關(guān)，總的來說，產(chǎn)生的裂縫可分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫[2]。

2.1 結(jié)構(gòu)性裂縫

裂紋根據(jù)結(jié)構(gòu)性特征可以分成扭轉(zhuǎn)裂紋、扭曲斷裂、剪切裂紋和局部應(yīng)力裂紋。彎曲裂縫常發(fā)生于連續(xù)梁存在負(fù)彎矩較大部位的上方和正彎矩較大部位的下方。扭轉(zhuǎn)裂紋則一般是在小扭矩、剪力作用和大彎矩三者聯(lián)合作用下形成的，此時(shí)，混凝土受拉區(qū)最大拉應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度，從而形成此類裂縫。剪切斷裂通常是在剪力作用下與彎矩共同作用或是剪力單獨(dú)作用下所產(chǎn)生的結(jié)果，斜斷裂的發(fā)展同時(shí)也會(huì)造成沿斜散射截面的被剪承載力不足，而產(chǎn)生損傷。局部應(yīng)力裂縫通常發(fā)生于應(yīng)力的相對集中部位，如錨頭、支座等。

2.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫

非結(jié)構(gòu)性裂紋，一般是由氣溫變化、混凝土徐變和內(nèi)部鋼筋腐蝕等原因造成的裂縫溫度開裂，較常見的有收縮裂紋、徐變裂紋、鋼筋腐蝕裂紋和凍脹裂紋等。高溫裂紋，主要是在橋梁施工過程中混凝土在內(nèi)部產(chǎn)生水化熱時(shí)，所形成的熱能因集中到構(gòu)件內(nèi)而無法分散，與外部的空氣溫度產(chǎn)生了很大溫差，從而造成構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的裂紋；在橋梁使用過程中，由于混凝土構(gòu)件表層的水分損失速率比內(nèi)部更快，因而產(chǎn)生的內(nèi)部收縮速率也不相同，產(chǎn)生了收縮裂縫。鋼筋腐蝕與開裂則因施工質(zhì)量不高、保護(hù)層厚度不達(dá)標(biāo)時(shí)，導(dǎo)致鋼筋易裸露于空氣中，從而銹蝕膨脹導(dǎo)致保護(hù)層破裂。

3 基于斷裂力學(xué)的裂縫擴(kuò)展

3.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子

彈性體中心的裂隙結(jié)構(gòu)為梯形，簡化后，分為具有張開型彈性裂隙、滑開型彈性裂隙、撕開式彈性裂隙3 種基本裂隙形式（見圖1）。當(dāng)2 個(gè)裂紋應(yīng)力處于正反拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的分量同時(shí)相互作用之下時(shí)，則形成復(fù)合裂紋[3]。

圖1 裂紋的基本形式

Irwin 根據(jù)Westergaard 的分析結(jié)果，推導(dǎo)出裂紋尖端附近應(yīng)力σ 的表達(dá)式：

式中，K 為強(qiáng)度因子；θ 為點(diǎn)在裂紋尖端的柱狀極坐標(biāo)；r 為點(diǎn)在裂紋尖端的柱狀極坐標(biāo)；f(θ)為應(yīng)力場角分布的函數(shù)。

這就建立了1 個(gè)特殊情況下才能用來描述的公式，從而推出了應(yīng)力強(qiáng)度因子概念。以應(yīng)力強(qiáng)度因子來表示的3 種主要斷裂形式裂紋尖端應(yīng)力、位移漸進(jìn)場，K1、K2、K3是對應(yīng)于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所描述的也就是在斷裂尖端附近局部的強(qiáng)弱程度。通過強(qiáng)度因子則可以得到判斷標(biāo)準(zhǔn)：K=Kc，其中Kc表示臨界強(qiáng)度因子，可以作為判斷裂紋失穩(wěn)的臨界值。

3.2 引起連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫擴(kuò)展的主要因素

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的擴(kuò)展可能與多種因素相關(guān)，如合龍溫度與設(shè)計(jì)差距過大、合龍澆筑混凝土收縮速率不一致、縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉不到位、橫向預(yù)應(yīng)力過大、施工工藝與順序、混凝土低齡期加載等單一因素和多種因素耦合作用，均會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混凝土開裂。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋分左右兩幅，橋?qū)捀鳛?5 m，橋跨布置為95 m+170 m+95 m 連續(xù)剛構(gòu)。其中，主橋箱梁選用單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板、底板分別寬15 m、7.5 m，箱梁根部高10 m、腹板厚0.7 m，跨中梁高3.5 m、腹板厚0.5 m，底板厚度由0.34 m按1.8 次拋物線變化至根部1.2 m，選用C55 混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力筋選用高強(qiáng)度、低松弛的鋼絞線。橋墩選用鋼筋直徑混凝土雙壁空心橋墩，選用C55 混凝土。該特大橋在施工過程中就已產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂痕典型裂縫如圖2 所示（圖中，L 為裂縫長度；σ 為裂縫寬度）。

圖2 典型裂縫示意圖

4.2 有限元建模

特大橋結(jié)構(gòu)采取雙吊籃平衡懸臂法對稱進(jìn)行澆筑，各邊跨與中心跨最后合龍，下部結(jié)構(gòu)與主橋全部膠結(jié)，構(gòu)成T 形結(jié)構(gòu)，其中主橋結(jié)構(gòu)除零塊外，每個(gè)平衡懸臂結(jié)構(gòu)共分20 個(gè)節(jié)段。為了考查溫度作用對于裂紋形成的影響規(guī)律，構(gòu)建了Midas/Civil 整體模式型，把零塊每個(gè)橫隔板分別視為1 個(gè)單位，懸臂按照施工節(jié)段共分為22 個(gè)節(jié)段，每邊跨現(xiàn)澆段長約6 m，共劃分為3 個(gè)單位，每邊跨合龍段為1 個(gè)單位，中跨合龍段為2 個(gè)單位，主梁共劃分為120 個(gè)單位；每個(gè)主墩根據(jù)施工節(jié)段以及截面的變形情況分成21 個(gè)單位，按下部結(jié)構(gòu)則劃分為42 個(gè)單位。全橋一共劃分為166 個(gè)單元，全橋Midas/Civil模型如圖3 所示。澆筑過程中，懸臂結(jié)構(gòu)端保持自然狀態(tài)，主墩底面固結(jié)，0 號塊節(jié)點(diǎn)與墩頂節(jié)點(diǎn)之間采用彈性連接的剛性接頭。

圖3 全橋Mi das/Ci vi l 模型

4.3 裂縫分析

采用Midas/Civil 整體模型模擬了連續(xù)剛構(gòu)橋澆筑過程中的縱向預(yù)應(yīng)力損失分別在10%、20%時(shí)的動(dòng)力學(xué)狀況，其澆筑階段中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力以及在無損失狀態(tài)下的最大應(yīng)力值變化，如圖4 所示。

圖4 不同預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)應(yīng)力圖

從各施工階段最大應(yīng)力、最小應(yīng)力與無損狀態(tài)的應(yīng)力差值變化可以看出，縱向預(yù)應(yīng)力損失10%時(shí)，各施工節(jié)段最大應(yīng)力增加約0.1 MPa（10%），最小應(yīng)力增加約0～2 MPa（10%～20%）；縱向預(yù)應(yīng)力損失20%時(shí)，各施工節(jié)段最大應(yīng)力增加約0.2 MPa（25%），最小應(yīng)力增加約0～3.5 MPa（20%～50%）。橋梁最大應(yīng)力、最小應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失的變化成正比關(guān)系，受壓程度降低，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫開始發(fā)展。預(yù)應(yīng)力損失造成橋梁結(jié)構(gòu)抵抗拉應(yīng)力的能力減弱，超過混凝土抗拉強(qiáng)度之后，連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開始產(chǎn)生裂縫，裂縫在使用期會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)橋在施工階段便容易產(chǎn)生裂縫，而運(yùn)營階段的復(fù)雜環(huán)境、荷載溫度耦合更加劇了裂縫的擴(kuò)展，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。本文在總結(jié)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫的類型和具體形式的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件建立了某特大橋的整體模型，對連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)中預(yù)應(yīng)力不同程度損失情況進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力張拉控制力的損失可以導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋所受應(yīng)力變化，從而使連續(xù)剛構(gòu)橋所受到的張拉應(yīng)力大于混凝土最大抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂紋的形成，基于力學(xué)原理分析，裂縫可能進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋施工中嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力張拉控制力對抑制箱梁裂縫擴(kuò)展是有利的。