混凝土箱梁曲线底板在高预应力作用下破坏机理与试验研究

近年来预应力混凝土连续刚构桥箱梁底板开裂、破坏的工程事故持续频发，这与已有研究成果大都停留在定性分析层面，底板破坏机理尚未清晰有关。本项目将采用事故调研、数值分析、模型试验、实桥监测多种研究手段，对箱梁曲线底板破坏机理深入分析。在对典型事故桥梁精细化数值分析基础上，开展基础性模型试验研究，真实模拟典型参数下箱梁曲线底板的空间受力模式以及破坏历程和破坏模式。同时对多座典型实桥施工期关键断面应力、裂缝实时监控、预测，最终揭示大开孔率混凝土底板在高预应力作用下裂缝产生及发展破坏的机理，提出变高度混凝土箱梁曲线底板在高预应力作用下的合理设计方法。

近年来连续刚构桥跨中合龙段箱梁底板开裂、破坏的工程事故持续频发，现有的研究成果尚未形成系统性研究，破坏机理仍不够清晰。本项目依托典型事故桥梁，通过精细化数值分析、参数敏感性分析、力学模型试验、实桥监测等多种研究手段，对箱梁曲线底板在高预应力作用下的受力性能与破坏机理进行系统性深入分析。项目首先应用基于子模型的精细化建模方法、考虑了材料非线性和开裂准则，建立了事故桥梁的精细化数值模型，分析表明过于强大的曲线形预应力配置、未设防崩钢筋及施工误差这三种因素是造成合龙段底板破坏的关键因素。在关键参数敏感性分析方面，项目对底板线形、底板厚度、底板宽度、孔道间距等七种关键设计参数，以及合龙高差、孔道偏差等三种关键施工因素进行了底板受力参数敏感性分析，最终提出了合龙段箱梁底板优化设计和施工控制建议。项目完成了四片试验梁在高预应力作用下的破坏试验，模拟了典型参数下曲线底板的空间受力及破坏历程，重点分析了孔道间距、防崩钢筋对受力的影响。试验结果表明，孔道间距对曲线底板空间受力影响显著，当孔道间距较小时，相邻孔道间混凝土不足以抵抗两侧孔道内预应力产生的径向力，孔道侧微裂缝迅速发展，最终沿着孔道中心线贯通，从而出现孔道上下混凝土分层崩裂现象；竖向防崩钢筋在板件开裂前作用不大，在开裂后对于延缓裂缝发展及提供构件承载力发挥重要作用。最后，项目通过对两座连续刚构桥实桥在合龙束张拉过程中关键断面应力、裂缝实时监测，得到了跨中合龙段空间受力状态，指导了桥梁的顺利合龙。在上述研究基础上，项目组总结对比了国内外相关规范，对变截面箱梁曲线底板重要设计参数，如梁底曲线指数、孔道直径、孔道净距等方面提出了优化建议。项目揭示了高预应力作用下箱梁曲线底板的受力特性及破坏机理，提出了连续刚构桥跨中合龙段构造设计优化对策，对行业规范是很好的完善、补充。项目研究成果还可推广应用于变截面连续梁桥、连续刚构桥等类似桥梁合龙段箱梁的合理构造设计、施工控制中，也可应用于类似的结构如曲梁腹板、PSC板壳、圆筒结构等。