混凝土箱梁桥开裂和下挠的发展模拟分析

卢德冠邓小康王伟芳

摘要：采用大型通用有限元软件ANSYS建立三维空间梁格模型，对样本箱型梁桥进行全过程的空间力学分析，得出主拉应力过大是箱梁桥底板裂缝产生的主要原因，并对底板裂缝产生后的箱梁受力情况进行了模拟，发现箱梁底板裂缝的产生为其它各种病害（腹板开裂、长期下挠）的出现创造了条件。

关键词：混凝土箱梁；开裂和下挠；空间梁格分析；力学特性

Abstract: adopting large general finite element software ANSYS to construct a three dimensional space grillage model box girder bridge of the sample for the space of the whole process of mechanics analysis, and concludes that the principal tensile stress is box girder bridge floor is the main cause of cracks, and the bottom of the box girder crack force are simulated, and found that the cracking of the bottom box girder for a variety of other diseases (webs craze, long-term provent down) create conditions there.

Keywords: concrete box bridge; Under the cracking and flexible; Space grillage analysis; Mechanical properties

中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：

1 引言

箱型截面具有整体性好、抗扭刚度大以及顶底板均能提供较大的受力面积的特点，目前被大跨径的桥梁结构尤其是大跨径预应力连续梁桥所广泛采用。

但是，随着越来越多的混凝土箱梁桥的修建，这类桥梁也暴露出许多问题，目前在工程界最为关注的大跨径混凝土箱梁桥的病害为其易开裂和跨中长期下挠的问题。如1995年建成的湖北黄石大桥，主跨为五跨的预应力混凝土连续刚构，1998年桥梁检测时发现其最宽的裂缝已达0.4mm，并伴有持续的跨中下挠，最大挠度达到33.5cm；同时在2005年对广州洛溪大桥进行的检测时发现，该桥主桥的箱梁部分出现大量裂缝，最长的一条长2.15m，宽0.56mm；而主跨达到270m的虎门大桥辅航道桥，在建成7年后观测到的跨中下挠为260mm[1]。

由此可见，目前已修建的很多大跨径预应力混凝土箱梁桥都出现了开裂和跨中长期下挠的问题，而通常这些桥梁是由不同的施工队伍修建，处于不同的地域、不同的运营环境下，这反映出大跨径预应力混凝土箱梁桥在设计计算上很有可能存在先天缺陷。因此，对该类桥病害产生的过程进行力学分析就显得尤为重要。

2 样本桥梁及空间梁格法概述

2.1 样本桥梁概述

选择某三跨预应力连续梁桥作为样本桥梁进行研究，该桥跨径组合为68m+100m+68m，采用单箱单室箱型截面，箱梁材料采用C55混凝土，三向预应力设计。

2.2 三维空间梁格法概述

在采用三维空间梁格法来模拟箱梁桥时，首先将箱梁离散成顶板、底板和腹板等几块大的“板元”，然后将这些大的“板元”离散许多小的“板元”，最后用很多正交的十字梁格来模拟这许多小的“板元”，以此完成箱梁桥的三维空间梁格化，这样我们平常所采用的二维的空间梁格法就实现了扩充，变为三维的空间梁格法。

图2.1为三维空间梁格法建立的全桥模型图

本文在计算中考虑实际的施工阶段进行计算。

3 静力计算结果

3.1 静载作用下桥梁反应分析

对样本桥梁选取腹板和顶板交合处A点、腹板中段B点、底板位于竖向预应力范围内三维C点和C点附近处于竖向预应力范围外的D点作为重点关注位置，如图3.1所示。

本文重点研究样本桥梁在恒载、活载和预应力作用下的受力情况，活载按影响面进行加载。

3.1.1活载作用下的应力情况

图3.2和图3.3为样本桥梁沿纵向各截面的A活载作用下的正应力包络图。

3.1.2运营状态（考虑活载、恒载及纵向预应力）情况下的全桥正应力计算

图3.3为对象桥梁在考虑活载、恒载及纵向预应力时C正应力包络图。

本小节的计算过程即为一般桥梁设计阶段的计算过程，通过上述图形可以看出，此时计算得到的全桥各个截面的正应力均为压应力，即该桥满足规范中“全预应力”的要求。

3.2 考虑竖向预应力的全桥主应力分析

在以往按平面杆系进行的桥梁设计计算过程中，受限于计算模式，无法准确的分析全桥主应力情况，尤其对箱梁受力情况影响很大的竖向预应力无法加于考虑，而规范中判断“全预应力”的也是以正应力为依据，这样就导致无法准确地分析箱梁的受力情况[2] [3]，本节将结合三维空间梁格法的优点，研究在考虑竖向预应力的影响下大跨径预应力混凝土箱梁的各截面的主应力分布情况[3]。

样本桥梁在按一般箱梁桥设计计算进行分析时，处于规范所谓的“全预应力”状态，即全桥均不会出现拉应力，但是在采用三维空间梁格法进行分析求出全桥的主应力后却发现，全桥很多位置均有拉应力出现，且部分位置的主拉应力已经接近或超过混凝土的极限抗拉强度，这就使混凝土箱梁裂缝的出现产生了可能。

在样本桥梁未出现任何病害的情况下，箱梁腹板（B点）的主拉应力尚未超出混凝土的抗拉强度，但是从一个长远的发展来看，在箱梁底板产生裂缝病害后，这部分结构将会退出工作，整个箱梁的受力形式将发生改变，箱梁腹板的受力可能进一步增加，因此分析箱型截面从“闭口”变为“开口”后的箱梁受力发展就显得很有必要，以便更透彻地研究箱梁病害产生的全过程和这些病害的后果。

4 钢筋混凝土箱梁桥开裂下挠病害的全过程模拟

4.1箱梁病害的产生和模拟

在一般的平面杆系设计计算过程中，只能模糊地计算大跨径预应力混凝土箱梁桥的受力过程，而箱梁的细部精确受力分析则通常是在平面杆系结构分析的基础上再就关心的局部区域建立复杂的空间实体模型进行研究，对于模拟箱梁的病害时则通常采用刚度折减法等方法，但是即使这样仍无法完整的模拟整个箱梁产生裂缝和下挠等病害的过程[4]，而三维空间梁格分析法的引入则为我们完整便捷地模拟箱梁病害产生的全过程和研究病害产生后整个箱梁力学性能的变化提供了可能。

上一节详细分析了箱梁在主拉应力下裂缝产生的形式和位置，因此只需要参照主拉应力的大小和位置，采用拆除主拉应力超过混凝土的极限抗拉强度（本文取为2Mpa）的梁格的方法来模拟该位置的裂缝，而在ANSYS软件中可以通过杀死单元来实现这个模拟。

4.2底板裂缝对混凝土箱梁力学特性的影响

结合上一节计算的主拉应力情况，主拉应力超过2MPa的梁格单元主要出现在支座附近位置，在ANSYS中将其选中并杀死，以此实现箱梁底板裂缝的模拟[5]

在杀死单元后，重新计算全桥的主拉应力，本文主要关心底板开裂后腹板的受力情况，计算得到的底板裂缝产生后腹板（B点），在箱梁底板开裂后，其附近位置的腹板（B点）主拉应力将会明显增大，当其达到混凝土极限抗拉强度时，腹板位置将会出现裂缝，但是远离底板开裂位置的腹板处的应力影响不大。

恒载产生的位移效应占到全部箱梁位移的70%以上，为了计算方便，本文在研究箱梁的下挠问题时仅考虑恒载和预应力的作用，箱梁底板裂缝产生前、后在恒载和预应力作用下的全桥下挠，通过比较箱梁底板裂缝产生前、后在恒载和预应力作用下的全桥下挠，可以看出，底板裂缝的产生使边跨跨中位置下挠的挠度增加了近0.013m，而中跨跨中位置的挠度则上挠了了近0.018m，这也为大跨径预应力混凝土箱梁桥的下挠病害做出了初步的解释。

4.3 腹板裂缝对混凝土箱梁力学特性的影响

前面分析了底板开裂对混凝土箱梁其他病害的产生所起的“诱导”作用，可以预期，箱梁腹板裂缝随着底板裂缝产生后，箱型截面的刚度将进一步消弱，结构的挠度将继续增加，本节即继续研究在箱梁腹板开裂后全桥挠度的进一步发展情况， 比较腹板开裂前后的全桥挠度发展变化情况可以看出，腹板开裂使边跨跨中位置的挠度进一步增加了0.019m，而中跨跨中位置的位移则向上持续增加了近0.025m。通过上述结果可以发现，箱梁腹板的开裂使得该桥的刚度进一步降低，位移继续变化。

5 结论

综上所述，可以对大跨径预应力混凝土箱梁开裂和持续下挠病害产生的原因从设计计算角度作出以下归纳和解释：

（1）底板开裂：通过对样本桥梁主拉应力的分析可以看出，在一般桥梁设计计算中属于“全预应力”的箱梁结构，箱梁底板位置靠近支座不远处会出现主拉应力，并且部分主拉应力已经超过混凝土的极限抗拉强度，这样该处就会发生底板横向裂缝。

（2）腹板开裂：箱梁腹板开裂是由于箱梁底板开裂后整个箱型截面从“闭口”变为“开口”，箱型截面受力性能发生显著变化，使腹板的主拉应力由不超过混凝土极限抗拉强度变为接近甚至超过此值，从而导致腹板产生斜裂缝。

（3）长期下挠：由于前面分析的原因导致箱梁底板出现裂缝，底板裂缝的产生使整个箱型截面从“闭口”变为“开口”，消弱箱梁的刚度，增加混凝土箱梁的挠度，而底板的开裂又会引起的腹板开裂，这样将进一步消弱箱梁的刚度，混凝土箱梁的挠度的变化进一步增加；在混凝土箱梁底板和腹板开裂的同时整个结构的刚度降低，然后箱梁结构在徐变收缩的影响下，同时在日益增加的活载、温度等外部荷载共同作用下，箱梁的整体受力发生重分布，应力水平显著增加，结果箱梁出现新的裂缝；而新裂缝的产生会使结构重新陷入上述循环，使得箱梁结构持续产生裂缝，挠度水平也持续增加。

参考文献：

[1]李坚．我国预应力混凝土连续梁桥的发展与工程实践[J]．桥梁建设．2001（06）：47~54

[2]刘庆潭．材料力学[M]．北京：机械工业出版社．2003

[3]铁辉邦．预应力混凝土箱梁桥竖向预应力损失的实测与分析[J]．河南建材．2009，6：73~74

[4]楼庄鸿．论预应力混凝土梁桥的裂缝[J]．公路交通科技．2000（12）：49~52

[5]彭卫，张新军．箱型桥梁的空间有限元分析[J]．工程设计CAD与智能建筑．2002（6）：46~49

[6]何海．变高度预应力混凝土箱梁桥底板纵向裂缝成因分析与防治[J]．中南公路工程．2001，4：61~62

[7]谢峻，王国亮等．大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状[J]．公路交通科技．2007，24：47~50

[8]马润平，卫军等．大跨预应力混凝土梁式桥后期下挠原因分析[J]．铁道工程学报．2007，5：51~54

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。