既有裂纹的混凝土箱形桥墩（塔）结构在自然温变下的损伤及评价研究

The inner and outer surface natural temperature load of concrete box structure has an important influence on the structure crack damage, but the systematic research is still blank. This project is based on the test results of temperature structure surface and cracking of the concrete box pier (tower), the relationship between structural temperature difference between inner and outer surface variation and crack width , depth is obtained. Force field distribution of structural crack tip zone and the relationship between crack growth and the maximum temperature changing times are received based on the concrete fracture mechanics principle and .the finite element analysis methods, and the results were compared with test results, the rule of crack damage evolution of the concrete thin wall box pier (tower) structure is revealed.Based on residual bearing capacity evaluation method,the damage index is presented to describe the concrete box pier (tower) damage process, the damage variable is with the times of temperature change to describe, and the relations between the damage index and the damage variable is setted up to assess the degree of structure damage.The project is basis to analysis disease prevention, repair, prolong the service life of the concrete box pier (tower) structure.

混凝土箱形结构内外表面的自然温差荷载对结构裂纹的扩展、损伤有重要的影响，但相关系统研究尚属空白。本项目通过对混凝土箱形墩（塔）结构表面温差及开裂形态测试，获得结构内外表面温差变化与裂纹宽度、深度的变化关系。借助混凝土断裂力学结合有限元分析手段，计算自然温变作用下混凝土箱形桥墩（塔）结构裂纹尖端区应力场分布，确定温差作用引起的裂缝尖端损伤因子，建立裂纹扩展长度与最大温变次数的关系，分析结构损伤演化的过程，并结合结构内部损伤形态的测试结果，揭示混凝土箱形墩（塔）结构损伤演化的规律。以结构剩余刚度作为结构不同损伤阶段的损伤指标，以温变作用次数作为结构不同阶段损伤的标定值，建立二者的对应关系，进行结构损伤评价。该项目无疑是对混凝土箱形桥墩（塔）结构病害的防治、经济维修、延长结构使用寿命等方面研究的基础。

近些年来斜拉桥、悬索桥混凝土桥塔运营中出现竖向开裂，竖向裂纹出现在墩（塔）内外表面中心线附近，裂纹宽度较大，长度较长，少数裂纹形成贯通裂纹，横桥向或向阳侧两个侧面竖向裂纹较多。相关研究表明，导致裂纹产生的主要因素是墩（塔）结构内外表面日照温差荷载。本项目通过对混凝土箱形墩（塔）结构表面温差及裂纹宽度、深度的测试的基础上，分析了结构损伤演化的过程，揭示混凝土箱形墩（塔）结构损伤演化的规律。其主要工作及结论如下：.测试和分析了桥塔冬、春和夏季日照温度场和竖向裂纹的宽深度变化，分析表明： . （1）四个塔壁内外表面温度在测试期内的变化情况相似，沿壁厚方向的四个内外表面温差变化趋势基本相同,内表面温度较稳定，相对外表面温度变化较小。冬季主要以负温差为主，春季各个塔壁外表面温度值变化趋势接近正弦曲线，不足的是测试日照温度场时未出现骤然降温过程；. （2）在正温差荷载作用下，塔壁内表面产生温度拉应力，在负温差作用下，塔壁外表面产生温度拉应力，且内、外表面中线处的温度应力值大于其它位置处的温度应力值；. （3）考虑塔壁内外温差荷载后，截面最大温度应力出现的方向和裂缝开裂方向一致，可以得出沿塔壁厚度方向的正负温差荷载是引起主塔内外表面竖向裂缝的重要因素；. （4）将塔壁测试温度值作为分析荷载，计算分析了不同实测塔壁内外表面温差荷载对混凝土桥塔既有裂缝的宽度变化，得到因内外表面温差荷载引起的裂缝的宽度变化值都在±0.02mm范围内，与现场裂纹测试值吻合较好，且在正负温差作用下，塔壁表面裂缝有闭合扩展现象。. 因此，开展自然温变下混凝土箱形桥墩（塔）结构损伤演化及评价方面的研究，无疑是对混凝土箱形桥墩（塔）结构病害的防治、经济维修、延长结构使用寿命等方面研究的基础，具有重要的工程价值和意义。