异型连续箱梁桥0 号块裂缝分析

王 强

(海峡（福建） 交通工程设计有限公司，福州 350004)

由于连续梁桥0 号块构造和受力复杂， 再加上0 号块梁端具有梁体高、钢筋分布密集等因素，使得0 号块容易出现问题， 所以研究0 号块的裂缝对于确保桥梁的安全具有重要意义。结合商丘市归德路异型连续箱梁桥，该异型连续梁桥具有桥面宽度大、截面三室尺寸大小不一、桥面逐渐变宽等特点，构造更为复杂，运用MIDAS/FEA将混凝土和预应力钢束设置为非线性的材料进行裂缝分析，对0 号块梁段开裂部位加强处理。保证桥梁运营状态下整个桥梁结构的安全可靠性。

1 工程概况

本桥为(50 + 82 + 50) m 三跨预应力混凝土异型连续箱梁桥，按照预应力混凝土A 类构件设计，设计荷载为公路一级，采用悬臂和满堂支架联合施工。采用单箱三室不对称截面，上部结构为三向预应力结构，箱梁顶板宽29.8m 变化至30.76m，底板宽22.3m 变化至23.26m，外翼缘板悬臂长3.75 m，箱梁顶板和底板都设置1.5%的双向横坡。 箱梁根部梁高5m，左右两侧梁高4.45m。 悬壁端部厚0.22m，根部厚0.55m。箱梁顶板厚0.3m。梁高按照二次抛物线变化。 0 号块立剖面图和0 号块左右两端横断面图分别如图1、2、3 所示。

2 有限元模型

根据圣维南原理，0 号块的应力分布只与其附近区域的应力有关， 即远离0 号块区域的应力状态对其应力分布的影响可以忽略不计。 本文分析将0 号和1 号块段作为研究对象。 通过MIDAS / Civil 建立桥梁整体模型如图4， 运用模型中移动荷载追踪器追踪到0 号块梁段最不利弯矩荷载和剪力荷载。

图1 0 号块立剖面图

图2 0 号块左端横断面图

图3 0 号块右端横断面图

采用有限元程序MIDAS/FEA 建立本桥0 号块的局部分析模型， 混凝土结构的非线性材料模型采用了全应变裂缝模型，受压裂缝模型采用了Thorenfeldt 模型，受拉裂缝模型采用了Constant 模型。 预应力钢束采用范梅赛斯模型。在其两个端部截面形心处建立主节点，并以该截面上其余节点为从节点， 建立主节点与从节点之间的刚性连接。 将最不利弯矩荷载和剪力荷载作为静力荷载加载到0 号块梁段左右截面的主节点上。 0 号块有限元模型如图5 所示，分别计算以下两种工况:

图4 桥梁整体模型

图5 0 号块有限元模型

工况一:运营阶段0 号块局部裂缝分析，考虑自重、预应力、二期荷载、活荷载作用下0 号块最不利弯矩效应组合。

工况二：运营阶段0 号块局部裂缝分析，考虑自重、预应力、二期荷载、活荷载作用下0 号块最不利剪力效应组合。

根据不同的荷载工况， 从整体模型中提取相应截面的内力施加于局部模型中刚性连接的主节点处。 整体模型中提取的内力情况如表1 所示。

表1 作用荷载取值

3 计算结果

3.1 裂缝图形分析

计算可得两种工况下0 号梁段不同荷载系数下裂缝分布情况，两种工况下开裂形式和变化规律较为相似，由于篇幅所限选择工况1 进行裂缝分析， 故本文仅列出工况1 下的几种不同荷载系数（0.1,0.2,0.35,0.5,0.65,0.8，0.95）其中四个荷载系数（0.2,0.5,0.8,0.95）作用下的裂缝图形如图6。0 号块左右两端顶板与腹板交界处最先产生裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐向0 号块中间位置扩展。之后0 号块左右端三室顶板中心也开始产生裂缝，最后0 号块横隔板与右侧顶板交界、 桥面变宽处一侧翼缘板和顶板与翼缘板交界处会产生裂缝。 最终由于开裂较为严重，桥梁产生破坏。

图6 工况1作用下裂缝图形

3.2 裂缝局部分析

通过位移云图分析可得0 号块左右两侧三室顶板中心和桥面变宽一侧翼缘板处位移较大， 选取7 个位移较大的节点进行局部裂缝分析， 如图7 位移云图中标注有位移的各个节点号左侧从下往上节点号依次为10654、10471、10311，右侧从下往上依次为20095、25756、20044，翼缘板阶段节点号为22942。

图7 0 号块位移云图

图8 荷载系数-应变关系曲线图

从图8 可知，随着荷载的增加，各点的应变呈非线性关系。 荷载系数为小于0.2 时，0 号块两侧三室顶板中心的六个节点处及桥面变宽一侧翼缘板一个节点处还没有开裂，应力应变关系呈线性关系，随着荷载的逐渐增加，七个节点开始产生裂缝，之后呈非线性关系。在各个节点开裂过程中，0 号块右侧三室顶板中心及桥面变宽一侧翼缘板处的应变始终大于0 号块左侧三室顶板中心位置处。为了能够比较清晰了解裂缝密集程度及开裂方向，下面对七个节点附近部位进行裂缝局部分析，如图10 所示为局部裂缝平面图。圆片的法向代表开裂方向，垂直于纸面方向为竖向方向（梁高方向），纵桥向方向和横桥向方向如图9 所示。

图9 桥向方向

图10 局部裂缝平面图

当荷载系数为0.95 时，对应变较大的七个节点附近的裂缝分析可知，0 号块左侧三室顶板中心裂缝分布均匀，主要产生沿梁高方向的竖向裂缝，右室顶板中心和左室顶板中心还会有少量的沿横桥向方向的横向裂缝；右侧裂缝密集， 右室顶板中心和左室顶板中心主要是产生沿横桥向方向的横向裂缝， 中室顶板中心既产生了沿横桥向方向的横向裂缝也产生了沿梁高方向的竖向裂缝；翼缘板处裂缝分布均匀比较密集， 裂缝主要是沿横桥向的横向裂缝。 设计和施工过程中可以根据裂缝产生方向布置相应钢筋，防止薄弱部位的开裂。

4 结论和建议

（1） 裂缝最先产生于0 号块左右两侧顶板与腹板交界处，随着荷载的增加裂缝向中间扩展，0 号块横隔板与右侧顶板交界处、 桥梁变宽处一侧翼缘板和腹板与顶板交界处、三室顶板中心处都会产生裂缝。在设计和施工过程中对开裂部位进行加强处理， 避免局部的破坏导致整体破坏，保证整体稳定性。

（2） 在设计和施工过程中对0 号块左侧三室顶板中心位置处的竖向裂缝主要采用布置横向和纵向钢筋加强处理； 对于0 号块右侧三室顶板中心处和桥面变宽一侧翼缘板处的横向裂缝主要采用布置纵向钢筋加强处理。计算结果已直接应用于商丘市归德路异型连续梁桥实际工程。