預應力混凝土空心板梁底板縱向裂縫成因分析與防治措施

馬書強

（中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

眾所周知，預應力簡支空心板梁具有結構簡單、施工方便、吊裝重量輕、經濟等優點，成為公路、城市橋梁中最為常見的結構形式之一。由于混凝土自身的特性決定其抗拉強度遠遠低于抗壓強度，混凝土結構出現裂縫是常見的。目前大量預應力混凝土空心板梁均存在底板縱向開裂的現象，裂縫多出現在沿底板布置預應力筋位置或空心板底板最薄弱處(如底板與腹板交接位置)。寬幅空心板梁為薄壁結構，一旦出現裂縫容易貫穿板厚，對結構的耐久性、受力狀態都有不可忽視的影響。如開裂后梁體扭轉剛度明顯降低，使得主梁橫向連接剛度明顯減弱，荷載橫向分布系數增大。影響的程度根據縱向裂縫開展的寬度、深度而各不相同。本文工程中，預應力空心板梁在預制養生階段底板出現明顯的縱向裂縫，故初步分析認為縱向裂縫很可能與設計、施工質量有關。

1 工程概況

1.1 結構形式及病害簡介

工程結構，裝配式先張法預應力混凝土簡支變截面空心板梁，跨徑為20m，板寬165.8cm，跨中截面：梁高80cm，底板、頂板、腹板厚均為10cm，內室總寬145.8cm。端部截面：梁高由80cm漸變為90cm，底板厚度漸變為20cm，漸變段長100cm。橫向連接采用小鉸縫，邊板外側無翼板。底板布置三束預應力，預應力鋼絞線采用高強度低松馳鋼絞線，強度為Ry'=1860Mpa,Ey=1.95×105Mpa。中板梁截面尺寸如圖1所示：

圖1 中板梁截面尺寸(單位：cm)

預制空心板梁存在多處裂縫，縱向裂縫為最多，縱向縫基本處在預應力束管道位置，最長的有近16m，裂縫寬度主要集中在0.10至0.54mm之間，局部寬度在2mm左右；同時存在橫向裂縫和不規則裂縫，橫向裂縫處在跨中和支點附近，裂縫寬度從0.05至0.20mm不等。

1.2 施工工藝及施工環境

準備好經校驗的張拉機具，使千斤頂的張拉力作用線與鋼絞線的軸線重合一致。鋼絞線放置在錨固端，置于砼平臺上，并用鋼筋架起，防止鋼絞線下垂。放置預應力失效隔離套管，等張拉完畢后，定位套管。現場施工采取預應力鋼絞線整體同時張拉，調整使鋼絞線初應力相同。張拉程序0-初應力-σ(持荷2min)。在混凝土拌制過程中，對混凝土坍落度隨時進行檢查，以保證混凝土和易性，拌制時間一般控制在1.5min左右，使用外加劑應適當增加攪拌時間。預制空心板梁混凝土澆筑分二次進行。首先澆筑底板，然后安裝內膜，進行腹板和頂板澆筑。混凝土澆筑完畢初凝后，用麻袋覆蓋；終凝后再灑水養護。保持混凝土面經常處于濕潤狀態，并連續養護7d。根據設計圖紙要求，當試塊強度達到設計強度的90%以后，方可進行放張。

經核實，發生開裂的預應力混凝土空心板的施工方法、養護條件、存放吊裝過程均按照規范要求施工，其施工記錄中并無特殊之處。而開裂的空心板梁施工時間多為夏季高溫時期。由施工經驗得知：夏季預制預應力空心板的預拱度明顯比其他季節預制預應力空心板的預拱度要高。

分析認為：預應力空心板的預拱度與施加預應力的大小有關。夏季預制預應力空心板時，鋼絞線在太陽暴曬下溫度遠遠高于常溫，按照施工規范要求：澆注混凝土時鋼絞線溫度不能過高。否則鋼絞線在高溫差的作用下，發生較大收縮產生超過設計值的張拉力，導致預應力空心板預拱度增大，空心板底板受橫向力也增大，易于發生縱向開裂。

2 計算分析

2.1 模型建立

本模型模擬預制先張法預應力空心板梁，結構計算采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行建模計算。建模尺寸按實際設計和施工1：1比例尺建立。選用整體式模型模擬鋼筋混凝土，采用可以模擬開裂的solid65體單元模擬C40鋼筋混凝土混凝土，采用link8桿單元模擬預應力鋼絞線。由結構的對稱性，取四分之一結構進行建模，共劃分57420個單元，77610個節點，可保證計算精度。該模型有關應力計算采用單位為國際單位制，即力為N、長度為m、應力為Pa。

2.2 計算結果

參數選取及工況劃分材料參數取值：彈性模量不考慮其發展過程，E取3.25×1010Pa、密度 ρ 取 2550kg/m3、泊松比取 0.2、線膨脹系數α取1.0×10-5。根據上述初步分析，建立模型進行仿真分析。分別建立如下荷載工況分析：

模型1：結構自重、預應力；模型2：結構自重、預應力、鋼束降溫10℃；模型3：結構自重、預應力、鋼束降溫20℃；模型4：結構自重、預應力、鋼束降溫30℃；模型5：結構自重、預應力、鋼束降溫40℃。

2.2.1 分析結果

(1)模型1結果分析底板應力等值線圖如圖2所示。

圖2底板應力等值線圖

圖2 說明：在結構自重及預應力作用下，結構支點附近4m范圍內混凝土拉應力超限，最大值為2.63Mpa。結構開裂位置均位于布置預應力鋼束處，沿縱橋向延伸。開裂位置與實際工程開裂位置吻合，但長度較短，僅在結構自重及預應力作用下，不會產生較長裂縫。

（2）對鋼束施加不同降溫結果分析

當預應力鋼束溫度較高時，施工澆注混凝土后，鋼束將降溫收縮。故分別建立鋼束不同溫差模型，進行分析此溫差對結構的影響。各模型計算得鋼絞線最大拉應力增值如表1所示。溫差-鋼絞線最大拉應力增值關系曲線如圖3所示。

圖3 溫差-鋼絞線最大拉應力增值關系曲線

由上述圖表可知：溫差-鋼絞線最大拉應力增值呈明顯線形關系。鋼絞線對溫度影響敏感，降溫收縮產生的拉力不容忽視，當溫差達到40℃時，鋼絞線最大拉應力為1470Mpa超出鋼絞線抗拉強度設計值1395Mpa的5.4%；混凝土最大拉應力達到2.96Mpa，超出混凝土極限拉應力2.4Mpa。夏季施工過程中，一旦鋼絞線在太陽下暴曬而未經處理，極易導致先張法預應力空心板開裂。

結語

預應力空心板的整體承載力取決于：預應力的大小、結構的剛度。其中結構剛度主要決定因素是腹板的高度。而底板的厚度雖然對結構整體承載力貢獻不大，但是決定了底板局部受力的抗裂能力。雖然結構設計都能滿足規范要求，但仍需要適當增大板厚，以便增大結構的安全系數，以避免結構發生局部破壞。施工預應力工藝，應嚴格按照施工規范要求操作。鋼束受溫度影響較大，應避免應用高溫鋼束施工。高溫天氣張拉時須采取措施，避免在溫度差的作用下，鋼絞線收縮很可能產生超過設計限值，致使空心板底板受橫向劈裂力增大，易發生局部開裂。

[1]占玉林,趙人達,毛學明.鋼-混凝土組合結構中剪力連接件承載力的比較[J].四川建筑科學研究,2006(6).

[2]常興文.全比例波形鋼腹板PC箱梁力學特性試驗研究[J].橋梁建設，2006，4.

[3]任紅偉．波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁彎曲性能試驗研究[J]．鐵道學報，2008，30(1):60-64．