温度场作用下混凝土桥塔Ⅰ型裂纹开裂面应力场分析

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发布时间：2021-10-23

资料介绍

为了确定温差作用下混凝土桥塔开裂面的应力分布状态，采用奇异单元模拟裂纹尖端应力场的奇异
性，建立相应计算 I型裂纹开裂面应力分布的有限元模型。通过数值计算，考察有限元模型中裂纹尖端附近区域
网格参数的变化对应力场计算精度的影响，确定各个参数的敏感程度，发现在裂纹尖端区布置奇异单元时，第 1行
单元半径的大小对尖端应力场有较大的影响。计算 3种温差工况下混凝土桥塔未开裂和开裂 2种状态下内表面
的应力分布状态和不同裂纹长度下开裂面的应力分布变化。结果表明，开裂结构整个开裂面应力均较未开裂的应
力小，随着裂纹长度不断增大，整个开裂面的应力不断减小，裂纹开口端附近应力零区域有不断扩大的趋势。
关键词：桥梁工程；桥塔；温度场；裂纹；应力场；有限元法
中图分类号：U441．5 文献标志码：A 文章编号：1671—7767(2011)06—0050—04
1 前言
混凝土断裂力学是断裂力学的一个新的分支，
它是指材料或构件中存在着宏观裂纹，用弹性力学
和弹塑性力学理论分析裂纹产生的条件及裂纹发展
规律的一门学科 l_1]。断裂力学理论是在静态情况下
金属材料断裂研究中得以建立和完善的，后来逐渐
被用于工程断裂分析中，特别是在混凝土构件开裂、
压碎和钢结构的疲劳开裂等一系列工程问题中得到
较好的应用。1961年，Kaplan M Fl_2 首次将线弹性
断裂力学与混凝土的断裂试验相结合进行研究，并
将研究成果发表，引起了学术界的高度重视。此后，
有关学者结合试验成果进行了大量研究工作叫，
研究中发现原来适用于金属的一些基本假定、理论
及试验方法并不能很好地适用于混凝土，因此根据
混凝土自身的特点，提出了适合混凝土的新假定、新
理论及新的试验方法。并通过大量的试验进行了验
证，取得了很多有价值的研究成果。
混凝土结构开裂后，由于受到温度变化、冰融循
环等因素的反复作用裂缝不断扩展，病害日益加重，
使结构的承载力和使用寿命逐渐降低，直至结构丧
失使用能力，因此，预防、控制混凝土结构开裂是迫
切需要解决的技术难题。本文在某悬索桥混凝土桥
塔测试温度资料的基础上，分析正温差作用下桥塔
塔壁内表面未开裂和开裂 2种状态下开裂面的应力
分布状态及不同裂纹长度下开裂面的应力分布变
化。其研究成果可为今后分析反复温差作用下裂纹
扩展行为提供参考依据。
2 混凝土裂纹有限元模型及网格划分
2．1 工程概况
某双塔单跨钢箱梁悬索桥桥塔采用 H 形空心
矩形箱结构，塔高分别为 142．27 m 和 112．415 m，
桥塔塔肢为横桥向 5 m 等宽，顺桥向宽度按 100：1
的斜率渐变，由塔顶 6 m 渐变至北塔塔肢承台顶
8．248 m、南塔塔肢承台顶 8．845 m。塔肢裂缝主要
出现在横桥向 2个塔壁内、外侧面中心线上，中心线
附近区域也有少量的裂缝，裂缝主要集中在中横梁
附近，距上横梁 15 m 以下、距桥面 2 m 以上的范围
内。内表面裂缝较少，长度较短，外表面裂缝较多，
长度较长。而塔肢顺桥向 2个塔壁内、外侧面上无
裂缝产生。
2．2 有限元模型
裂纹分为 3种类型，I型为张开型，Ⅱ型为滑开
型，Ⅲ型为撕裂型[4 ]。混凝土桥塔结构沿高度方
向开裂主要是由于横向(截面切向)拉应力作用而开
裂，属工型裂纹。混凝土桥塔开裂面应力场分布按
二维平面来计算，见图 1(a)所示，图中所示结构为
该悬索桥混凝土桥塔的横断面，裂纹位置在东侧塔
壁内表面中线处，裂纹长 35．7 mm，宽 0．6 mm，为
直线裂纹(裂纹面宽度是指东侧塔壁内表面宽度)