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摘要：笔者以一座近期发生底板崩裂事故的大跨刚构-连续梁桥为工程背景，采用平面有限元软件与空间有限元软件相结合的方法，进行合龙段附近空间应力分析以探明其破坏成因。空间模型中模拟了三向预应力和预应力孔道，能够很好的考虑孔道对截面削弱的影响。通过精细化分析最终得到了合龙段的空间受力特性，从而明确了底板纵向开裂及空鼓破坏的受力成因，该分析方法和结论可以为类似事故工程作为借鉴。
关键词：刚构-连续梁桥；合龙段；底板；崩裂破坏；空间效应
0引言
近年来，国内多座连续刚构、连续梁桥发生了底板纵向开裂甚至局部空鼓、崩裂事故。本文以一座近期发生底板崩裂事故的大跨PC刚构—连续组合梁桥为工程背景，该桥跨径布置为116+200+220+200+116米，上部结构采用变截面单箱单室箱梁。主梁采用55号混凝土。箱梁底板线形1.6次抛物线，设计荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。该桥于2005年通车，在2011年桥梁检测时发现该桥多个孔的跨中合龙段附近2～3个节段内箱梁底板存在纵向裂缝，其中一孔合龙段相邻右侧梁段底板混凝土有明显的胀裂空鼓，底板下层混凝土由波纹管处与顶层钢筋混凝土完全分离。
1平面有限元整体计算
首先对全桥结构进行设计验算以验证其设计合理性。采用交通运输部公路科学研究所研发的公路桥梁设计系统GQJS V9.7建立了全桥平面杆系模型。模拟了实际的施工阶段，考虑了结构自重、纵向预应力、收缩、徐变、温度、活载，基础沉降等荷载组合作用。
原桥按照85规范设计，首先按照85规范对该桥进行施工阶段、正常使用极限状态、承载能力极限状态三方面设计验算。施工过程中主梁出现的最大压应力为23.75MPa，出现在跨中主跨合龙束张拉的这一工况，发生在主跨跨中合龙段箱梁下缘，压应力数值较大，但并未超出85规范的限制。其余状态验算均满足要求。之后按照现行04规范进行结构验算，抗弯承载能力验算结果为，次主跨L/2截面、中跨L/2截面的正截面抗弯承载力与荷载效应最不利组合值比较接近，安全度不大，但尚能满足04规范要求。正常使用极限状态正应力验算表明，两个次主跨及主跨箱梁上缘最大压应力20.65MPa，远超过04规范限值17.75MPa，下缘最大应力也超过了04规范容许值。预应力筋最大应力1242MPa，超过了04规范要求的1209MPa，应力超标钢筋基本发生在顶板束及底板合龙束。
2跨中合龙段空间应力分析
按照结构真实尺寸和材料参数建立空间模型，由于要模拟预应力束张拉后、灌浆前的合拢段的应力状态，在建立模型时进行预应力管道的模拟。采用SOLID45用来模拟混凝土单元，采用LINK8来模拟预应力钢筋单元。整个混凝土实体采用扫略、映射相结合的划分方法，全部划分为六面体单元，共划分为47424个实体单元。底板开孔处的预应力筋单元LINK8采用与混凝土单元SOLID45共节点方法，顶板及腹板预应力筋通过节点耦合与混凝土节点建立约束方程，共建立3160个预应力筋单元。整体几何空间模型如图1所示，箱梁底板预应力管道开孔如图2所示。
图1整体几何空间模型图2 预应力孔道模拟
图3跨中断面纵向应力云图图4跨中断面竖向应力云图
图5跨中断面横向应力云图 图6跨中断面主拉应力云图
图7底板径向力及产生的横向拉应力
3破坏成因综合分析
（1）设计原因
该桥按照85规范设计，用现行04规范验算时，正常使用极限状态时主跨、次主跨大部分区域上、下缘压应力超标，预应力筋拉应力超限。由此可得出，该桥设计的纵向预应力较为强大，造成曲线底板作用的径向力偏大，从而底板产生较大的横向拉应力，导致底板产生纵向裂缝以致空鼓破坏。
（2）施工原因
从相关文献来看[4,5]，大部分桥梁底板空鼓崩裂与施工因素有密切关系，预应力管道定位偏差、孔道间混凝土振捣不足、合龙高差或梁段间折角、底板混凝土保护层不足，都会加速底板混凝土沿预应力管道发生开裂进而导致剥离发生空鼓破坏，所以施工因素也是该桥无法排除的重要原因之一。
4小结
笔者采用平面整体分析与空间局部分析相结合的方法，对事故桥梁进行了底板崩裂事故分析，从设计方面分析表明该桥纵向预应力设计总体偏大，造成径向力偏大，以致底板产生较大的横向拉应力与竖向拉应力，从而造成了底板纵向开裂及空鼓破坏。从施工方面分析，孔道定位偏差、合龙高差等施工误差也是造成底板破坏的不可排除因素。
参考文献：
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ 023-85），人民交通出版社，1985年
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62－2004)，人民交通出版社，2004年
[3]理论力学（第2版），李俊峰、张雄，清华大学出版社，2010年
[4]高墩大跨连续刚构桥，马保林，人民交通出版社，2001年
[5]混凝土箱梁桥开裂机理及控制，项贻强，唐国斌，中国水利水电出版社，2010年
第一作者，唐静思，桥梁专业，工程师，安徽省交通规划设计研究院有限公司 桥梁三分院
第二作者，左新黛，桥梁专业，副研究员，交通运输部公路科学研究院，
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：刚构-连续梁桥；合龙段；底板；崩裂破坏；空间效应
0引言
近年来，国内多座连续刚构、连续梁桥发生了底板纵向开裂甚至局部空鼓、崩裂事故。本文以一座近期发生底板崩裂事故的大跨PC刚构—连续组合梁桥为工程背景，该桥跨径布置为116+200+220+200+116米，上部结构采用变截面单箱单室箱梁。主梁采用55号混凝土。箱梁底板线形1.6次抛物线，设计荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。该桥于2005年通车，在2011年桥梁检测时发现该桥多个孔的跨中合龙段附近2～3个节段内箱梁底板存在纵向裂缝，其中一孔合龙段相邻右侧梁段底板混凝土有明显的胀裂空鼓，底板下层混凝土由波纹管处与顶层钢筋混凝土完全分离。
1平面有限元整体计算
首先对全桥结构进行设计验算以验证其设计合理性。采用交通运输部公路科学研究所研发的公路桥梁设计系统GQJS V9.7建立了全桥平面杆系模型。模拟了实际的施工阶段，考虑了结构自重、纵向预应力、收缩、徐变、温度、活载，基础沉降等荷载组合作用。
原桥按照85规范设计，首先按照85规范对该桥进行施工阶段、正常使用极限状态、承载能力极限状态三方面设计验算。施工过程中主梁出现的最大压应力为23.75MPa，出现在跨中主跨合龙束张拉的这一工况，发生在主跨跨中合龙段箱梁下缘，压应力数值较大，但并未超出85规范的限制。其余状态验算均满足要求。之后按照现行04规范进行结构验算，抗弯承载能力验算结果为，次主跨L/2截面、中跨L/2截面的正截面抗弯承载力与荷载效应最不利组合值比较接近，安全度不大，但尚能满足04规范要求。正常使用极限状态正应力验算表明，两个次主跨及主跨箱梁上缘最大压应力20.65MPa，远超过04规范限值17.75MPa，下缘最大应力也超过了04规范容许值。预应力筋最大应力1242MPa，超过了04规范要求的1209MPa，应力超标钢筋基本发生在顶板束及底板合龙束。
2跨中合龙段空间应力分析
2.1模型的选取及建立
根据圣维南原理[3]，杆端力作用的影响区域摘自：毕业论文格式下载www.udooo.com
只体现在距杆端1倍杆的横向尺寸的范围内，所以只要根据圣维南原理建立合适的空间模型，就能达到较为准确模拟破坏底板空间应力情况，以达到分析破坏成因的目的。根据检测情况，箱梁底板空鼓病害较严重的梁段发生在10#孔合龙段附近，故此次局部模型选取10#孔合龙段及其左右各四个节段，共计38米长的梁段进行分析。按照结构真实尺寸和材料参数建立空间模型，由于要模拟预应力束张拉后、灌浆前的合拢段的应力状态，在建立模型时进行预应力管道的模拟。采用SOLID45用来模拟混凝土单元，采用LINK8来模拟预应力钢筋单元。整个混凝土实体采用扫略、映射相结合的划分方法，全部划分为六面体单元，共划分为47424个实体单元。底板开孔处的预应力筋单元LINK8采用与混凝土单元SOLID45共节点方法，顶板及腹板预应力筋通过节点耦合与混凝土节点建立约束方程，共建立3160个预应力筋单元。整体几何空间模型如图1所示，箱梁底板预应力管道开孔如图2所示。
图1整体几何空间模型图2 预应力孔道模拟
2.2空间应力情况
图3～6列出了预应力张拉完成后、灌浆前这个工况下跨中断面的空间应力云图情况。图中可看出，跨中断面竖向应力的变化范围大致为-2.0MPa（拉应力）～2.5MPa（压应力），受拉区主要位于腹板中下部的内缘，预应力孔道也有部分受拉区，但区域和值较小；横向应力的变化范围大致为-4.0MPa（拉应力）～5.0MPa（压应力），底板中部孔道下缘、倒角位置为受拉区，这两个区域横向拉应力超出了容许拉应力值，其中前者区域较大但峰值较小，而后者区域较小但峰值较大；主拉应力分布与横向应力分布相似，说明了底板受拉主要以横向应力为主，横向应力对主应力的贡献较大。图3跨中断面纵向应力云图图4跨中断面竖向应力云图
图5跨中断面横向应力云图 图6跨中断面主拉应力云图
2.3 结果分析
根据局部应力分析结果，张拉底板预应力时，底板孔道下缘横向拉应力偏大，是造成合龙段底板下缘纵向裂缝及底板沿波纹管崩裂破坏的主要原因，那么到底是什么造成底板横向拉应力偏大呢？从图7可以看出，横向拉应力主要由预应力张拉时产生的径向力所致，由径向力的计算公式 ，得出径向力大小是由张拉力、管道线形来决定的。图7底板径向力及产生的横向拉应力
3破坏成因综合分析
（1）设计原因
该桥按照85规范设计，用现行04规范验算时，正常使用极限状态时主跨、次主跨大部分区域上、下缘压应力超标，预应力筋拉应力超限。由此可得出，该桥设计的纵向预应力较为强大，造成曲线底板作用的径向力偏大，从而底板产生较大的横向拉应力，导致底板产生纵向裂缝以致空鼓破坏。
（2）施工原因
从相关文献来看[4,5]，大部分桥梁底板空鼓崩裂与施工因素有密切关系，预应力管道定位偏差、孔道间混凝土振捣不足、合龙高差或梁段间折角、底板混凝土保护层不足，都会加速底板混凝土沿预应力管道发生开裂进而导致剥离发生空鼓破坏，所以施工因素也是该桥无法排除的重要原因之一。
4小结
笔者采用平面整体分析与空间局部分析相结合的方法，对事故桥梁进行了底板崩裂事故分析，从设计方面分析表明该桥纵向预应力设计总体偏大，造成径向力偏大，以致底板产生较大的横向拉应力与竖向拉应力，从而造成了底板纵向开裂及空鼓破坏。从施工方面分析，孔道定位偏差、合龙高差等施工误差也是造成底板破坏的不可排除因素。
参考文献：
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ 023-85），人民交通出版社，1985年
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62－2004)，人民交通出版社，2004年
[3]理论力学（第2版），李俊峰、张雄，清华大学出版社，2010年
[4]高墩大跨连续刚构桥，马保林，人民交通出版社，2001年
[5]混凝土箱梁桥开裂机理及控制，项贻强，唐国斌，中国水利水电出版社，2010年
第一作者，唐静思，桥梁专业，工程师，安徽省交通规划设计研究院有限公司 桥梁三分院
第二作者，左新黛，桥梁专业，副研究员，交通运输部公路科学研究院，
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。