《Buildings》：Investigation of the Causes of Web Cracking and Strengthening Methods for Continuous Box-Girder Bridges with Large Cantilevers and Thin Web
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为解决既有大悬臂薄腹板预应力混凝土连续箱梁桥（prestressed concrete continuous box-girder bridge）存在的腹板开裂（web cracking）、梁底横向开裂（transverse cracking at the g
为解决既有大悬臂薄腹板预应力混凝土连续箱梁桥（prestressed concrete continuous box-girder bridge）存在的腹板开裂（web cracking）、梁底横向开裂（transverse cracking at the girder bottom）及承载能力不足（inadequate load-bearing capacity）等结构缺陷，研究人员采用现场检测（field inspection）、静动力荷载试验（static and dynamic load test）和数值模拟（numerical simulation）方法，建立了纵向框架模型（longitudinal frame model）、横向实体模型（transverse solid model）和界面精细模型（refined interface model），系统研究了预应力损失（prestress loss）、车辆活载（vehicle live load）和温度对裂缝形成的影响。此外，评估了腹板截面增大（web cross-section enlargement）与体内预应力（internal prestressing）组合加固策略的有效性，并重点研究了新增预应力在界面上的传力效率（interface stress-transfer efficiency）。结果表明：长期预应力损失降低了箱梁截面压应力储备（compressive stress reserve），是梁底横向开裂的主要诱因；而斜向腹板开裂主要由剪应力（shear stress）与竖向拉应力（vertical tensile stress）共同作用引起。偏心车辆加载对腹板竖向拉应力影响显著；在跨中截面，内腹板面最大竖向拉应力达4.24 MPa，其中2.23 MPa由偏心加载引起。实施组合加固后，跨中截面底部边缘应力由4.40 MPa降至1.74 MPa，降低60.45%；跨中挠度由30.6 mm降至20.13 mm，降低24.54%；支座处抗剪安全系数由0.78提高至1.10，表明抗裂性能和整体结构刚度显著改善。最后，新增体内预应力的界面传力效率降低为12.87%，表明在采用截面增大与体内预应力组合加固方法时，应充分考虑界面传力效率对实际加固效果的影响。
**研究背景与目的**
预应力混凝土连续箱梁桥（prestressed concrete continuous box-girder bridge）因抗扭刚度大、结构整体性好等优点，在公路建设中应用广泛。然而，随着服役年限增长，许多桥梁出现不同程度开裂，影响耐久性和结构安全。对于大悬臂薄腹板形式的连续箱梁桥，其结构行为和施工特点与常规桥梁存在显著差异，腹板开裂问题尤为突出，但现有研究多针对普通箱梁，缺乏对该类桥梁裂缝成因与加固措施的系统分析。为此，研究人员以某高速公路上一座跨径布置为31.6 m + 3 × 50 m + 45.8 m、总长235.42 m的预应力混凝土连续箱梁桥为对象。该桥于1997年底建成，2006年至2016年间多次检测和加固后，技术状况仍评定为III类或IV类，存在腹板斜向开裂、梁底横向开裂及承载力不足等缺陷。本研究旨在查明裂缝成因，验证腹板截面增大与体内预应力组合加固方法的效果，为同类桥梁的养护和加固提供依据。
**关键研究方法**
研究采用了以下主要技术方法：（1）纵向受力分析模型：采用MIDAS/Civil NX建立梁单元模型（129个单元），考虑实测刚度折减系数0.93、冲击系数0.28、活载修正系数1.088、偏心系数1.15以及温度梯度和预应力损失，通过静载试验挠度和应变对比验证模型，最大相对差异分别为8.12%和8.97%。（2）横向受力分析模型：采用MSC.MARC建立全桥三维实体有限元模型（HEX8单元，共152,969个单元），模拟最不利车辆荷载和温度作用，提取腹板竖向应力分布。（3）界面精细模型：采用非线性实体模型模拟新老混凝土界面，通过接触应力表定义粘结-滑移关系，计算界面传力效率降低量。样本来源为上述实际桥梁，材料参数依据规范和实测确定。
**研究结果**
**3.1 有限元模型建立**
研究人员分别建立了纵向梁单元模型、横向三维实体模型和界面精细模型。纵向模型经实测数据验证，满足精度要求；横向模型用于捕捉腹板局部竖向应力；界面模型用于分析新老混凝土界面的预应力传递损失。
**3.2 纵向受力分析**
在考虑结构刚度降低、实测冲击系数、温度梯度和预应力损失后，计算得到50 m跨跨中底部边缘最大拉应力为4.0 MPa，45.8 m跨为4.4 MPa，支座h/2处最大主拉应力达3.37 MPa，均超过C50混凝土抗拉强度，且超限区域与现场观测的梁底横向裂缝分布吻合。结果表明，长期预应力损失显着降低了截面压应力储备，是梁底横向开裂的主要诱因。
**3.3 横向受力分析**
横向实体模型分析表明，在恒载、横向预应力、偏心车辆荷载和温度共同作用下，跨中腹板内表面最大竖向拉应力达4.24 MPa，其中偏心车辆荷载贡献2.23 MPa；支座h/2处最大主拉应力为3.37 MPa，超过规范限值。因此，跨中腹板开裂主要由竖向拉应力控制，而支座附近斜裂缝由剪应力和竖向拉应力共同作用引起，裂缝倾角自跨中向支座由0°渐变至45°。
**4.1 加固方法**
针对桥梁病害，研究人员提出了腹板截面增大与体内预应力组合加固方案：腹板外侧全长加厚18 cm，锚固区局部加厚50 cm，新增6束15Φs15.2体内预应力筋，新增混凝土采用C55自密实混凝土。通过被动加固（截面增大）和主动加固（体内预应力）相结合，提高箱梁抗弯、抗剪及抗裂性能。
**4.2 加固前后结构性能对比**
有限元分析表明，加固后支座顶部应力由2.53 MPa降至0.41 MPa，跨中底部应力由4.40 MPa降至1.74 MPa，降低60.45%；支座和跨中抗弯安全系数分别提高10.5%和31.1%，支座抗剪安全系数由0.78提高至1.10（增幅41.0%）；跨中挠度由30.63 mm降至20.13 mm，降低34.28%。说明该组合加固方法有效提升了结构承载力和整体刚度。
**4.3 加固系统界面损失分析**
通过界面精细模型，采用粘结-滑移本构模拟新老混凝土界面，并定义界面应力传递效率降低指标δ。计算结果显示，体内预应力张拉后，原桥跨中底缘应力增量为8.12 MPa，新增腹板底缘应力增量为9.32 MPa，界面传力效率降低12.87%。因此，实际加固效果低于理想完全粘结假定，设计时应考虑提高张拉控制应力（约14.8%）以保证预期加固效果。
**讨论与结论**
讨论部分指出，界面传力效率降低对组合加固效果有显著影响，整体模型中假定界面完全粘结会高估实际性能；采用精细界面模型可更合理地评估预应力传递损失。研究得到的主要结论如下：（1）考虑刚度折减、活载修正和预应力损失后，计算超限区域与实测裂缝分布一致，主跨和边跨跨中最大拉应力分别为4.0 MPa和4.4 MPa，支座h/2处最大主拉应力为3.37 MPa，表明既有预应力损失是箱梁抗裂能力降低的重要因素。（2）在恒载、横向预应力、偏心车辆荷载和温度共同作用下，跨中腹板内侧最大竖向拉应力达4.24 MPa，其中偏心车辆荷载贡献2.23 MPa；支座h/2处最大主拉应力为3.37 MPa，表明跨中腹板开裂由竖向拉应力控制，支座附近斜裂缝由剪应力和拉应力共同作用。（3）腹板截面增大与体内预应力组合加固后，支座顶缘应力降至0.41 MPa，跨中底缘应力降至1.74 MPa，抗弯和抗剪安全系数分别提高10.5%–31.1%和41.0%，跨中挠度降低34.28%，有效提升了桥梁承载力和整体刚度。（4）新增体内预应力在界面上的传力效率降低12.87%，因此在评估该组合加固方法时，应充分考虑界面传力效率对实际加固效果的影响。
