某矮塔斜拉橋主梁施工期開裂原因及影響參數分析

李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

某矮塔斜拉橋主梁施工期開裂原因及影響參數分析

李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

某主跨88 m矮塔斜拉橋，在施工過程中出現了較為典型的主梁邊室U形裂縫和頂板底面45°斜裂縫。為研究主梁施工期開裂原因和主要影響參數，采用空間分析方法對其進行了空間有限元施工仿真分析。研究結果表明：梁段結合面施工質量低劣、承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因；Z向應力過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因；頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因；橫向預應力對底板Z向正應力和頂板底緣主拉應力影響較大。

橋梁工程；矮塔斜拉橋；箱梁；開裂原因；影響參數；空間分析

0　引言

矮塔斜拉橋是介于連續梁橋和斜拉橋之間的一種橋型，于20世紀90年代初在日本興起，并得到了迅速發展。此橋型在國內的起步比較晚，2001年10月建成的漳州戰備大橋是我國第一座矮塔斜拉橋［1，2］。矮塔斜拉橋當前的發展趨勢是大跨度、寬橋幅。相對于斜拉橋，矮塔斜拉橋主梁的寬跨比一般較大，平面桿系分析很難反映橋梁實際受力狀態，大跨單索面寬幅矮塔斜拉橋的空間效應尤為顯著［3，4］，對橋梁空間受力效應的考慮不足往往導致梁體開裂事故的發生［5］。某主跨88 m的矮塔斜拉橋在施工過程中發生了梁體開裂的破壞事故，為了分析原因總結經驗教訓，促進這一橋型的健康發展，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了精細的實體有限元模型，進行了施工仿真空間應力分析，探討開裂產生的原因和主要的影響參數。

1　工程概況

本文背景工程是一座雙塔單索面三跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，主橋的橋跨布置為39 m+88 m+ 38.9 m，主橋總長165.9 m，采用塔梁固結、墩頂設支座的結構形式［6］。主梁為單箱五室變截面預應力混凝土箱梁。箱梁支點梁高3.2 m，跨中梁高2.2 m，頂寬32 m，底寬26 m，挑臂3 m。斜拉索呈扇型布置，每個塔6對斜拉索，全橋共12對，通過圓弧管道穿過主塔錨固于主梁頂板。索塔為鋼筋混凝土塔，高度12.45 m。塔身截面為矩形，橫橋向寬2 m，順橋寬2.4 m，兼顧橋梁美觀，橋塔局部作適當修飾。0#塊和1#塊采用支架現澆，其他梁段采用掛籃分段懸臂澆筑。主橋的總體布置見圖1，主梁標準斷面見圖2。

圖1　總體布置圖（單位：mm）

圖2　主梁標準斷面（單位：mm）

2　主梁開裂特征

在橋梁施工中首先出現了箱梁邊腹板豎向裂縫、邊室底板以及翼緣板底面的橫向裂縫構成的主梁U形裂縫，隨后在箱梁邊室頂板底面又發現了45°斜裂縫。

2.1主梁邊室U形裂縫

施工過程中最先出現了腹板豎向裂縫和邊室底板橫向裂縫，裂縫主要分布在節段澆筑結合面處，見圖3，且裂縫沿縱橋向和橫橋向對稱分布。表1列出了北側P10墩主梁腹板豎向裂縫情況，南側P11墩處主梁腹板開裂情況與北側相同。

圖3　腹板外側Ⅰ-Ⅰ截面豎向裂縫

表1　腹板豎向裂縫情況

2.2頂板底面45°斜裂縫

后續在3#塊施工過程中，1#塊和2#塊邊室頂板底面相繼出現如圖4所示的45°角斜裂縫，在平面上裂縫基本呈八字形對稱分布，裂縫靠近1#塊的兩端施工接縫處。

圖4　頂板底面45°斜裂縫分布（單位：mm）

3　空間應力分析

3.1空間分析模型

在平面桿系程序總體分析的基礎上，進一步采用大型通用有限元程序ANSYS進行了空間仿真分析。由于施工期結構具有一定對稱性，為減少計算分析的工作量，選取對應施工階段結構1/4模型，在對稱面分別施加對稱約束。

施工階段取至3#塊澆筑完畢、張拉完1#斜拉索，圖5（a）為對應施工階段立面圖，圖中沒有示出施工掛籃，圖5（b）為ANSYS軟件建立的結構有限元模型。箱梁實體采用SOLID65混凝土單元模擬，預應力鋼束和斜拉索采用LINK8桿單元模擬，所有實體全部劃分為六面體單元網格，共63984個單元。

圖5　空間分析模型

計算中考慮了結構自重、預應力荷載、施工掛籃自重，以及斜拉索張拉力等荷載因素。荷載的施加按照施工階段分階段激活施加，以模擬施工過程中實際荷載工況。

計算參數取值如下：C50混凝土，彈性模量E取3.0×104M Pa，泊松比取0.167；預應力鋼束，彈性模量E取1.95×105M Pa，預應力損失參照平面桿系整體分析結果取值。

3.2空間分析結果

由于施工裂縫主要為底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫和頂板45°斜裂縫，所以空間分析主要關注邊室底板和邊腹板的Z向（縱橋向）正應力和邊室頂板底面第一主拉應力S1。空間分析結果如下：

（1）箱梁底板底面Z向正應力分布很不均勻，底板底面局部區域存在一定的拉應力，最大值達2.0 M Pa；Z向拉應力主要集中在1#塊邊室底板底面和0#塊箱梁翼緣下側，且拉應力貫穿1#塊邊室底板局部區域；次腹板內外側均不存在拉應力，見圖6。

（2）Ⅰ-Ⅰ截面邊室底板底面最大Z向拉應力0.7 M Pa，翼緣板下緣最大Z向拉應力3.29 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面邊室底板底面最大Z向拉應力1.58 M Pa，翼緣板下緣最大Z向拉應力0.8 M Pa，見圖6。

圖6　底板底面Z向正應力云圖（單位：Pa）

（3）箱梁頂板底面局部存在較大的主拉應力，3.0 M Pa以上的主拉應力主要集中在1#塊頂板靠近腹板的加腋處，應力集中處最大值達9.0 M Pa；頂板以受壓為主，受拉部分主要是頂板底面表層，見圖7。

（4）Ⅰ-Ⅰ截面頂板底的主拉應力最大值3.0 M Pa，翼緣板下緣主拉應力最大值4.53 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面頂板底的主拉應力最大值4.8 M Pa，翼緣板下緣主拉應力最大值3.5 M Pa，見圖7。

分析結果表明：空間應力分布與主梁開裂特征基本吻合，兩破壞截面處底板底緣Z向拉應力最大值1.58 M Pa，頂板底面開裂截面處主拉應力4.8 M Pa，（主）拉應力最大值都不在開裂截面處，而是在兩開裂截面中間。

3.3影響參數研究

3.3.1設計參數影響

為研究設計參數對結構空間應力分布的影響，在原有設計空間分析的基礎上選取以下幾個主要設計參數作進一步空間分析：

（1）縱向預應力。由于主梁底緣出現了Z向拉應力，頂緣都是受壓，主梁呈壓彎受力狀態，縱向預應力對改善Z向拉應力有一定的影響。

圖7　頂板底面主拉應力S1云圖（單位：Pa）

（2）橫向預應力。由于橋面較寬，在設計中需要配置較多的橫向預應力鋼束以抵抗橫向彎矩，由于泊松效應的影響，橫向預應力易對縱向正應力產生不利影響［7］。

（3）斜拉索索力。索力是矮塔斜拉橋的重要影響參數之一，索力大小直接影響結構的整體受力特性［8］。

為比較以上三個參數的敏感程度，分析中宜采用同樣的變化幅度。空間分析結果顯示總體應力水平較高，為降低應力水平分別將三個設計參數值減半，其他參數不變建立三個獨立的荷載工況。變更設計參數后的空間分析結果如下：

（1）橫向預應力和斜拉索索力減半均能顯著減小開裂截面處底板底面Z向拉應力，降低幅度達50%；縱向預應力減半開裂截面處底板底面Z向拉應力幾乎不變，見圖8。

（2）橫向預應力減半能顯著減小開裂截面處頂板板底面主拉應力S1，降低幅度達50%；縱向預應力減半和斜拉索索力減半開裂截面處頂板板底面主拉應力S1幾乎不變，見圖9。

參數分析結果表明：橫向預應力和斜拉索索力對主梁底緣縱橋向正應力有較大影響，縱向預應力對主梁底緣縱橋向正應力影響不大；橫向預應力對頂板底緣主拉應力影響較大，其他兩個參數對頂板底緣主拉應力影響不大。

3.3.2施工因素影響

對于節段懸澆箱梁，結合面是其結構上的薄弱環節，施工中必須嚴格按照設計要求、保證施工質量，然而在施工現場發現該橋的結合面施工過程中卻存在以下幾個問題：

（1）在施工過程中，端面鑿毛部分沒有按照設計要求充分鑿毛，尚未露出粗骨料；

（2）施工單位為了使梁體外觀光滑，要求端面鑿毛時截面邊緣保留3 cm的光面不鑿毛；

（3）箱梁結合面處混凝土振搗不充分，接縫處施工質量較差，甚至存在雜物和孔洞。

鑿毛不充分結合面的連接強度得不到保證，光面部分幾乎沒有連接強度直接造成截面削弱。由于這些施工工藝上的缺陷，必然造成結合面的承載能力降低，結合面成為梁體的薄弱部位，一旦出現拉應力結合面處極易開裂。

其他施工原因同樣會對施工縫處結構應力造成不利影響，比如：混凝土的配合比、混凝土的初凝時間、梁體混凝土的養護以及掛籃變形等。

圖8　底板底面正應力分布對比

圖9　頂板底面主拉應力S1分布對比

4　開裂原因分析

前述空間應力分析結果表明，拉應力分布情況與裂縫分布情況基本吻合，可以認為梁體開裂與應力分布存在一定的關系。綜合空間應力分析和影響因素研究結果，可以得出梁體開裂的主要原因如下：

（1）梁段結合面施工質量低劣承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因。因為主梁開裂截面邊室底板底面Z向拉應力最大值1.58 M Pa，小于C50混凝土的設計抗拉強度1.83 M Pa，不致于發生開裂，且次腹板不存在拉應力區也發現了豎向裂縫，這說明梁段結合面的抗拉強度不足以抵抗截面上的Z向拉應力。這也是豎向開裂沒有發生在應力最大處的主要原因。

（2）Z向應力水平過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因。因為開裂截面處翼緣底面Z向拉應力最大值達3.29 M Pa，超過了C50混凝土的抗拉強度標準值2.65 M Pa，由于翼緣本身較薄，扣除外緣3 cm的光面后截面明顯削弱，承載能力降低。

（3）頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因。因為開裂截面處頂板底面的主拉應力S1達4.8 M Pa。空間分析結果和現場觀測均表明頂板底面45°斜裂縫屬于表層裂縫，裂縫深度不到板厚的10%。

（4）橫向預應力對主梁底緣Z向正應力和頂板底緣主拉應力影響較大。

5　結論與建議

通過對該橋主梁施工期開裂原因和影響參數的分析研究，得出主要結論如下：

（1）梁段結合面施工質量低劣承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因；

（2）Z向應力水平過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因；

（3）頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因，但該斜裂縫屬于淺層裂紋。

對今后同類橋梁的設計與施工提出如下建議：

（1）寬幅矮塔斜拉橋空間效應顯著，應考慮其施工過程的動態空間應力分布；

（2）橫向預應力的設計也應考慮其空間效應，橫向預應力不僅對頂板主拉應力有較大影響，對底板正應力也有較大影響；

（3）橫隔板的設置可以改善主梁空間應力分布，橫隔板間距較大的地方可以考慮加大腹板厚度以提高橫向剛度；

（4）結合面的施工必須嚴格按照設計要求全截面充分鑿毛至露出粗骨料，同時應保證混凝土的澆筑質量，以提高結合面的承載能力。

［1］陳從春，周海智，肖汝誠.矮塔斜拉橋研究的新進展［J］.世界橋梁，2006（1）:70-73.

［2］湯少青，蔡文生，陳亨錦.漳州戰備大橋總體設計 ［J］.橋梁建設，2002（1）:1-4.

［3］陳從春，夏巨華，肖汝誠.獨塔寬幅矮塔斜拉橋的設計與分析［J］.公路，2006（5）:57-60.

［4］熊文，涂雪，肖汝誠.獨塔斜拉橋箱梁正應力不均勻分布規律研究［J］.公路與汽運，2007（5）:142-144.

［5］林國雄，秦順全，朱華民.寧波招寶山大橋加固重建工程設計［J］.橋梁建設，2001（3）:18-20.

［6］李曉莉，肖汝誠.矮塔斜拉橋的力學行為分析與設計實踐［J］.結構工程師，2005，21（4）:7-9.

［7］丁明波，張永亮，陳興沖.部分斜拉橋橫向應力試驗及分析［J］.蘭州交通大學學報，2003，22（3）:53-55.

［8］陳從春，肖汝誠.用索梁活載比界定矮塔斜拉橋的方法 ［J］.同濟大學學報（自然科學版），2007，35（6）:724-727.

U448.11

A

1009-7716（2016）09-0151-05

2016-04-21

李元兵（1979-），男，湖北應城人，博士，工程師，從事橋梁工程檢測與評估、施工監控及結構退化等技術研究工作。