大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂与下挠耦合作用机理研究

针对我国大跨径预应力混凝土箱梁桥普遍出现的跨中持续下挠和开裂的现状，基于箱梁开裂与下挠作用机理的理论和实验研究，采用理论分析、模型实验和有限元精细化模拟相结合的方法，进行大跨径预应力混凝土箱梁桥典型开裂特征与开裂损伤机理、跨中持续下挠机理与刚度退化规律、箱梁典型开裂特征与主梁长期挠度的耦合作用机理以及结构受力性能退化特征与规律等研究工作。研究目的在于探索大跨径预应力混凝土箱梁累计损伤演化机理，建立有效刚度退化模型，揭示箱梁开裂与持续下挠内在动因及耦合作用关系，明确结构不同应力状态下收缩徐变与变形之间的关系以及反复荷载作用下主梁力学性能变异及刚度退化规律，实现在役大跨径预应力混凝土箱梁桥结构性能退化全过程的分析和评价。研究成果将为建立在役大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂与下挠后的安全性评估方法和确定合理的维修加固措施奠定基础。

针对我国大跨径预应力混凝土箱梁桥普遍出现的跨中持续下挠和开裂的现状，基于箱梁开裂与下挠作用机理的理论和实验研究，采用理论分析、模型实验和有限元精细化模拟相结合的方法，进行大跨径预应力混凝土箱梁桥典型开裂特征与开裂损伤机理、跨中持续下挠机理与刚度退化规律、箱梁典型开裂特征与主梁长期挠度的耦合作用机理以及结构受力性能退化特征与规律等研究工作。主要结论如下：.（1）基于主要受力裂缝的外观统计特征，通过构造两类损伤单元，即正裂缝区损伤单元和斜裂缝区损伤单元，采用刚度折减和引入平面刚架模型的方法，建立了基于裂缝统计特征参数的损伤预应力混凝土箱梁计算模型，提出了基于截面刚度变化的预应力混凝土箱梁桥截面有效刚度折减系数和基于混凝土受压区应力变化程度的承载力折减系数，从而实现对在役预应力混凝土结构开裂后的安全性评价。（2）进行了受弯裂缝总宽度、斜裂缝数量、斜裂缝高度的参数影响分析，结果表明，承弯区受弯裂缝总宽度对结构的内力和变形影响较大，造成结构抗弯刚度明显减小，变形增大，压区应力增加；斜裂缝数量对结构内力和变形有一定影响，但影响程度明显小于承弯段受弯裂缝；斜裂缝高度对结构的内力和变形影响均较小。（3）弯曲段非线性截面分析结果表明，随着截面开裂，抗弯刚度迅速衰减，挠度迅速增大，刚度的衰减呈前快后慢的特点。（4）反复荷载作用下的变形实验研究结果表明，预应力混凝土模型梁残余挠度和荷载挠度（弹性挠度）较常量荷载下的对应值均有所增大，其中荷载挠度增大系数在1.05~1.10之间；反复荷载作用对预应力筋长期损失有较明显的影响，反复荷载作用下预应力钢筋应变增量是预应力混凝土梁持续下挠的重要影响因素。（5）采用非线性数值分析方法开展了开裂与下挠的相关性影响研究，探讨了不同荷载模式下结构受力全过程的力学响应。同时，进行了徐变、温度、钢束预应力损失、活载影响下的参数影响分析，研究结果表明，下挠与开裂耦合作用在一起，互为因果，互相影响，徐变和钢束应力损失是造成结构长期变形和开裂的主要因素。