連續剛構橋箱梁L/4截面腹板裂縫成因分析

肖光宏，張秋陵

(重慶交通大學，重慶400074)

1 工程概況

連續剛構橋梁在我國修建了很多，箱梁上腹板出現裂縫的報道也不少，但大多連續剛構橋梁箱梁的腹板裂縫都是出現在0號塊上，因為0號塊的高度大，剪力也大，豎向預應力施加不足或施工不合理就極其容易在箱梁腹板上出現斜裂縫［1－2］。筆者介紹的箱梁腹板裂縫出現在大約1/4跨的地方，此處剪力不是很大，一般不應該出現斜裂縫，但由于現澆塊段出現較長時間停工以及溫度的作用從而導致裂縫產生。該橋位于重慶市南岸區，橋梁縱向布置115.5m+210m+115.5m，橫向布置1.5m+9m+1.5m。主梁為單箱單室截面，箱梁翼緣寬度12.5m，箱底寬6m。箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工，2個墩的箱梁各分為23對塊件平衡懸臂澆筑，箱梁塊件長度分別為:1～6號塊段，3.5m;7～13號塊段，4m;14～23號塊段，5m。

2 裂縫概況

在準備竣工驗收階段，對大橋進行了全面檢查，發現主梁跨中L/4區段梁腹出現裂縫，裂縫高度大約在箱梁高度1/2處，圖1為裂縫照片［3］。

圖1 裂縫照片Fig.1 Photo of crack

裂縫具體分布情況如下:在1號橋墩中跨的第10號節段的上下游腹板、2號橋墩中跨9號節段的上下游腹板以及2號橋墩邊跨的9號節段的上下游腹板均出現裂縫，各塊件裂縫均出現在腹板高度的中部接近重心的地方，距箱梁底板2.5～3.7m，裂縫向節段編號增大方向發展，其與水平線的夾角約為10°～20°，裂縫長度 1.2 ～1.7m，最大寬度 0.5 mm，且裂縫箱梁的上下游腹板均只有一條裂縫，裂縫都是從現澆節段的施工接縫開始向后澆節段發展，裂縫位置示意見圖 2［4］。

圖2 裂縫位置示意Fig.2 Location of crack

3 裂縫成因分析

3.1 裂縫特征與引起開裂的主要因素

3.1.1 裂縫特征

本橋箱梁裂縫有以下特點:①全橋4個懸臂中的3個懸臂的箱梁上下游腹板均開裂，表明裂縫具有普遍性;②裂縫均出現在2個節段交接面施工縫處;③裂縫都是從施工縫處開始，往后澆節段發展;④裂縫都出現在腹板重心處附近;⑤裂縫前部(靠近施工接縫)寬，后邊細。其中②～④條特征表明裂縫具有規律性。

3.1.2 裂縫產生的原因分析

引起混凝土結構產生裂縫的原因有荷載引起和非荷載引起2種。非荷載原因一般有混凝土溫度變化、混凝土收縮與徐變、施工質量等各種因素。裂縫的出現必然是混凝土的拉應力超過了混凝土的抗拉強度，而拉應力往往是由幾種因素共同作用的疊加［5－6］。分析和尋找裂縫發生的原因就是要找出引起混凝土拉應力大于其抗拉強度的主要因素，以便今后采取有效措施防止裂縫的再次出現。

從本橋箱梁腹板裂縫的特征來看，裂縫都出現在腹板中部，都開始于施工接縫，規律性較強，這表明裂縫是系統因素引起的，而不會是由于偶然因素引起。

由于本橋箱梁裂縫發現是在通車之前，而且通車后繼續觀察未發現進一步發展，說明裂縫不是由于外荷載引起的，而是非荷載因素引起的。常見的非荷載因素有溫度變化、混凝土收縮以及混凝土徐變。徐變不應該是本橋腹板裂縫的主要因素，因為產生徐變必須有力的作用才會發生，而開裂部位為梁高1/2處，接近重心，拉應力接近為0，因此不考慮徐變因素?？梢哉J為溫度變化和混凝土的收縮是產生裂縫的主要因素。

3.2 裂縫的產生

混凝土澆注后，其后澆注節段在施工縫處受到前一節段混凝土的約束，從而產生收縮約束拉應力和變形能;另一方面，后澆注節段混凝土在水化結硬時產生水化熱，節段塊體溫相對較高，而先前澆注的節段已經結硬，混凝土梁體體溫較低。兩節段體溫相差較大，二者溫度將趨于一致，因而前一節段吸收的熱量要大于后一節段吸收的熱量，于是造成節段存在膨脹變形差，前一段膨脹大，而后一階段膨脹小。因此，前一節段對后一節段會產生脹裂作用，這樣脹裂作用使后一節段受拉，產生拉應變，且在升溫季節與夏季不會消除。

隨著時間的推移，收縮還在不斷發生，收縮量總量也越來越大，由于前一節段齡期較大，收縮量逐漸變小，后一節段齡期小，收縮變形較大。所以前后節段的收縮量差也越來越大，在后一節段體內聚集的受拉變形能越來越大，產生的拉應力也越來越大，當拉應力超過腹板混凝土的抗拉強度時，腹板便出現裂縫。由拉應力分布圖(圖3)可知，在靠近交界面處拉應力最大，遠離交界面處拉應力較小，因此，裂縫總是從交界面處開始向后澆節段延伸。

圖3 塊件收縮約束變形與應力分布Fig.3 Constraint shrinkage deformation and stress distribution of block pieces

3.3 裂縫的發展階段

3.3.1 開裂初期階段

腹板一旦開裂，開裂截面的應力得到釋放，開裂截面混凝土不再承擔拉力，變成為自由邊，節段被分裂為上下兩部分，自由邊分別向上下兩部分的中心收縮，使裂縫越來越寬。同時，開裂截面應力釋放后，應力場發生根本改變，在開裂截面上由開裂前的應力均勻分布改變為開裂后應力向裂縫尖端集中，裂縫尖端拉應力過大導致裂縫迅速向裂縫尖端方向發展。

3.3.2 懸臂澆筑裂縫發展階段

本橋在裂縫出現時，大橋仍處在懸臂澆筑施工階段，箱梁還是一個懸臂梁，后澆節段的恒重會對裂縫處產生剪力，隨著箱梁各后續節段不斷施工，裂縫處的剪應力也不斷增加，而截面重心處的拉應力則無明顯變化，因此裂縫不是水平發展而是出現傾斜。另外，混凝土的收縮也仍在不斷發生，它也是裂縫發展的主要因素，兩個因素的共同作用使得裂縫延著后澆節段不斷延伸和變寬。

3.3.3 箱梁合龍后及運營階段

通過以上分析可知，裂縫的發生和發展是在大橋施工階段完成的，但它是否會在使用荷載下的使用運營階段進一步擴展，也值得關注［7－8］。

當箱梁合龍后，橋梁體系發生轉換，由原來的懸臂靜定結構轉變成了連續剛構的超靜定結構。為了分析全橋竣工通車后的應力狀態，筆者利用大型有限元軟件ANSYS建立大橋計算模型(圖4)，對大橋主梁腹板應力進行計算分析。

圖4 大橋有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model of bridge

經計算，在運營階段開裂截面處的應力列于表1。

運營階段主要是箱梁底板束的集中力引起開裂面的剪應力使裂縫進一步開展。此階段前期由于節段混凝土連續收縮以及底板束施加的預應力使裂縫進一步開展，后期隨著節段齡期達到200 d以上，收縮基本穩定，裂縫隨之穩定，不再開展。

4 結語

1)此大橋箱梁腹板出現的裂縫具有規律性，是有系統因素引起。

2)混凝土收縮是引起裂縫的主要原因。經查閱施工記錄，在裂縫出現節段的前一節段與后一節段的施工由于資金原因停工了約40 d，造成前后節段收縮差大。塊件混凝土收縮時，開裂節段受到前一節段的約束作用以及由該兩個塊件齡期差異導致的收縮量差的附加約束作用產生的拉應力。

3)溫度變化也是引起裂縫的原因之一。前后兩節段從大氣中的吸熱量差產生的前一塊件對開裂塊件的脹裂作用的拉應力。

4)收縮和溫度變化綜合因素導致裂縫發生。收縮約束拉應力各塊件均存在，吸熱量差拉應力僅出現在春季的快速升溫時季，雖然由兩種拉應力組合在一起使腹板開裂。

5)裂縫目前已經穩定沒有進一步發展。

6)建議在箱梁懸臂澆注期間不可停工過長，以免前后兩個澆注節段連面收縮差過大而產生裂縫。

［1］羅鳳林，謝幫珠.預應力混凝土連續剛構的幾個問題探討［J］.中國公路，2004(20):131－133.

［2］田槐湘，周晉超.預應力砼連續箱梁腹板開裂研究［J］.公路與汽車，2010(7):189－192.

［3］王建民，肖光宏.連續剛構大橋箱梁裂縫調查分析報告［R］.貴陽:貴州橋梁公司，2008.

［4］肖光宏，潘峰.連續剛構大橋箱梁受力計算分析報告［R］.重慶:重慶鋼力公司，2008.

［5］周履，陳永春.收縮、徐變［M］.北京:鐵道出版社，1994.

［6］周志祥.高等鋼筋混凝土結構［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］范立礎.預應力混凝土連續梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［8］JTG D 62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.