預應力混凝土連續箱梁橋裂縫機理分析與防治

胡華彪

(湖南省長沙市長沙理工大學土木與建筑學院)

0 引 言

預應力混凝土連續箱梁橋是目前工程中采用最多的橋梁形式，具有以下優點:結構剛度大、整體性好，施工速度快且質量能夠得到保證等。然而在實際運營過程中，該類橋梁也出現了不少的問題，其中以腹板處易出現裂縫最為常見，因而有必要對其進行深入的研究。筆者以跨湘江某大橋為工程背景，在箱梁相應位置埋設傳感器，在施工過程中對其進行時時監測，并運用ANSYS 空間有限元模型進行模擬，揭示了裂縫產生的原因，并提出了防治措施。并進行跟蹤監測，得到的數據表明，裂縫產生原因分析正確，裂縫得到了有效的處理。通過此次對預應力混凝土連續剛構橋腹板斜向裂縫的研究，得到了一些結論。

1 工程背景

某在建跨湘江大橋為預應力連續箱梁橋，橋跨布置為40 +5 ×60 +40 m，采用單箱雙室截面，筆者親自參與了全橋的施工監控過程，發現箱梁腹板截面處存在不同程度的裂縫。

2 預應力連續梁箱梁橋的腹板開裂成因分析

查閱相關資料，可以得知，預應力混凝土連續箱梁腹板處裂縫產生原因主要包括:溫度、荷載、干縮、腐蝕等，其中涉及到豎向預應力損失過大、溫度及施工工藝等多個方面，但究其原因，實際上是由于結構內主拉應力超出了混凝土材料的抗拉強度造成的。

為準確分析腹板處裂縫產生原因，主要以下角度著手:施工現場，在箱梁截面腹板裂縫產生處埋設應力傳感器(圖1)，同時，運用有限元軟件來模擬相關施工過程。

圖1 應力傳感器埋設位置示意圖

2.1 豎向預應力分析

通過埋設應力傳感器，現場實測得到7#梁段腹板處，在張拉豎向預應力筋后的截面應力值，同時通過理論計算得到了截面應力理論值，具體可見表1、圖2。

表1 應力實測值與理論值

圖2 應力變化情況

可以看出，應力實測值與模擬計算理論值相差不大，但隨著后續梁段的架設，預應力會發生很大的損失，從而導致主拉應力過大，產生裂縫。

2.2 溫度影響

溫度會對于橋梁有很大的影響，在炎熱的夏天，橋梁向陽側由于受到太陽直射，溫度較高，而在背陽側，溫度要低得多，溫差可達10 ～15 ℃，有必要考慮溫度梯度的影響。

本文運用ANSYS 有限元軟件對該橋進行模擬，通過在預應力筋節點和與預應力筋鄰近的混凝土單元之間建立約束，來模擬混凝土和預應力筋之間的共同工作。為了更加細致的分析箱梁的實際受力狀態，對7#梁段建立了空間模型。模擬過程中通過降溫法來施加預應力，控制單元的生死來模擬豎向預應力筋的張拉。

同時埋設傳感器進行全程監測，得到了在溫度梯度作用下，7#梁段腹板處應力變化趨勢，同時與理論值進行對比，如圖3 所示。

圖3 7#節段腹板處應力變化

2.3 施工因素

(1)模板安裝粗糙，混凝土澆筑時易發生變形或位移，使腹板厚度不能滿足設計要求。

(2)預應力鋼筋張拉時沒有達到設計要求的張拉力，預應力筋張拉力達不到設計值和波紋管就位時偏離了設計的坐標值，對腹板內力造成不利影響。

(3)在懸臂平衡掛籃澆筑時，未對掛籃預壓重或壓重不足就進行階段混凝土澆筑，箱梁澆筑的順序由里向外，導致掛籃下撓，結果在與上一施工階段連接的工作縫處出現很向裂縫。即使張拉預應力束后，裂縫也不可能閉合。由于這些裂縫的存在，剪應力急劇增大，導致主拉應力增大。

(4)箱梁骨架鋼筋多且間距小，肋板、橫梁、內蓋梁處的混凝土難以振實，混凝土強度低于設計強度，包裹力也大為降低。

(5)張拉槽口處抗剪鋼筋失效。

研究資料表明，這些因素也可能會對腹板處裂縫的產生有一定的影響。

3 腹板裂縫的防治措施

(1)嚴格控制預應力張拉精度，改善預應力張拉工藝，對豎向預應力筋采取“提前、滯后”的二次張拉工藝，即在縱向腹板束張拉前先施加豎向預應力筋全部預加力，避免腹板由于過大的局部拉應力產生開裂，第一次張拉完成后約15—20d 時間，再進行二次復張拉到設計應力，這樣可以減少豎向預應力損失;

(2)加強混凝土施工質量控制，嚴格控制混凝土的配合比，做好混凝土澆筑后的養護工作;

(3)必須保證混凝土強度達到設計要求的強度和彈性模量、滿足設計規定的加載齡期時再開始張拉預應力束。

4 結 論

在實際工程中，預應力混凝土箱梁橋運用的最為廣泛，其施工工藝非常成熟，但是也存在一些問題，本文結合實際工程，針對該橋梁腹板易出現裂縫的情況進行了深入研究，并找到了該類裂縫出現的主要原因，并提出了合理的處理措施，結果表明，分析結果正確，處理措施正確得當，全橋在建成后很好的滿足了設計要求，為以后同類型橋梁的施工提供了參考。

［1］ 張建軍. 預應力混凝土連續箱梁橋腹板裂縫分析研究［D］.華南理工大學，2012.

［2］ 朱漢華，陳孟沖，袁迎捷. 預應力混凝土連續箱梁橋裂縫分析與防治［M］. 北京. 人民交通出版社，2006.

［3］ 宋隨弟，祝兵.預應力混凝土連續剛構橋腹板斜裂縫發生機理研究［J］.橋梁建設，2008，(3).

［4］ 康炫武，袁銅森，章照宏，黃杜.大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋腹板斜裂縫的成因分析與預防［J］. 湖南交通科技，2007，(12).

［5］ 齊成龍，賈留鎖，吳迅.考慮溫度梯度荷載的砼箱梁溫度應力分析［J］.公路與汽運，2012，(5).

［6］ 周慶.預應力混凝土連續箱梁橋腹板斜裂縫成因與控制［J］.工程結構，2008，(2).

［7］ 徐志成，姜鳳連.預應力混凝土連續梁式橋腹板開裂縫影響因素分析［J］.山東交通科技，2003，(4).

［8］ 王華. 預應力混凝土薄壁箱梁橋空間分析及開裂成因研究［D］.長沙:湖南大學，2005.