預應(yīng)力混凝土箱梁橋梁端腹板豎向裂縫成因分析

李 潔

（中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

某一城市高架橋竣工驗收前的常規(guī)檢測發(fā)現(xiàn)，多處箱梁梁端邊腹板外側(cè)存在1～2道豎向裂縫。這段有27聯(lián)是預應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，共發(fā)現(xiàn)腹板豎向裂縫13條，其中12條位于距梁端3～5.5 m區(qū)域，大部分在左右側(cè)的外腹板同時存在。裂縫長度一般1.0～2.0 m，其中長1.5～2.0 m的裂縫延伸到底板，裂縫寬度0.12～0.15 mm。

本文以典型的3 m×30 m預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋為例，分析腹板豎向裂縫成因。箱梁采用滿堂支架現(xiàn)澆法施工，縱向一次性澆筑，豎向上下分層，混凝土標號C50。箱梁寬25 m，寬跨比大，空間效應(yīng)顯著。為了縮短施工周期，各聯(lián)箱梁往往需要同時施工，并要求施工順序可根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整。因此這類箱梁會采用腹板束在梁端附近上彎到頂板張拉的預應(yīng)力布置方式。為減少縱向預應(yīng)力與端橫梁鋼筋的沖突，張拉槽口位置布置到距梁端3 m處，這進一步加劇了空間效應(yīng)。梁端處腹板厚度80 cm，水化熱和腹板內(nèi)外收縮差產(chǎn)生較大的表面拉應(yīng)力。

1 空間分析

1.1 有限元模型

近年來，有一些關(guān)于預應(yīng)力混凝土箱梁梁端開裂的研究成果[1-2]，但研究對空間效應(yīng)的關(guān)注不足。如：文獻[1]采用平面桿系模型，對預應(yīng)力張拉過程進行計算模擬，認為梁端底板斜向裂縫是由于預應(yīng)力張拉過程中應(yīng)力變化所致，為非結(jié)構(gòu)裂縫。文獻[2]截取了邊跨靠梁端11 m長節(jié)段進行局部的實體有限元分析，根據(jù)圣維南原理，節(jié)段長度及其遠端約束不能滿足等效的條件，影響結(jié)論的準確性。

本文采用作者開發(fā)的基于ANSYS平臺開發(fā)的預應(yīng)力混凝土箱梁精細化數(shù)值模擬系統(tǒng)，研究高架橋梁端空間效應(yīng)。

1.2 計算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)重力、縱橫向預應(yīng)力、二期恒載、收縮徐變等不同作用下，箱梁應(yīng)力分布規(guī)律各不相同。本文以成橋階段箱梁應(yīng)力分布為對象，研究綜合作用下邊跨跨中及梁端的應(yīng)力分布特點。

成橋階段箱梁及邊跨跨中縱向應(yīng)力特點如下（邊跨跨中是指邊跨0.4 L處斷面）：

（1） 縱向正應(yīng)力分布不均勻，剪力滯表現(xiàn)為整個頂?shù)装蹇v向應(yīng)力連續(xù)變化。

（2） 平截面假定不滿足，各個腹板上的中性軸位置各不相同，箱梁懸臂剪力滯現(xiàn)象明顯。跨中邊腹板下緣壓應(yīng)力小于平均應(yīng)力，邊腹板較中腹板偏于不利。

成橋階段梁端縱向應(yīng)力特點如下（關(guān)鍵斷面距梁端3.8 m）：

（1） 預應(yīng)力存在一個應(yīng)力擴散傳遞的過程，使得應(yīng)力分布更不均勻。邊腹板壓應(yīng)力遠小于中腹板。

（2） 邊腹板內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差異很大。最不利點位于腹板與底板的交點，拉應(yīng)力約0.85 MPa。

（3） 梁端邊腹板外側(cè)預應(yīng)力度的不足甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，不能愈合腹板早期細小裂縫或限制其發(fā)展，最終產(chǎn)生腹板豎向裂縫的問題。

為改善梁端應(yīng)力狀態(tài)，將腹板束彎起點及錨固位置向梁端平移2.5 m，底板束按腹板數(shù)平均分配。調(diào)整預應(yīng)力束布置后的成橋階段梁端縱向應(yīng)力結(jié)果如下（關(guān)鍵斷面距梁端2.8～3.3 m）：

（1） 整個斷面應(yīng)力狀態(tài)有所改善，各腹板應(yīng)力水平差異減小，邊腹板應(yīng)力水平改善明顯。最不利點壓應(yīng)力為1.86 MPa。

（2） 邊腹板內(nèi)外側(cè)應(yīng)力存在差異的現(xiàn)象仍然存在。

2 腹板混凝土的水化熱及收縮應(yīng)力

腹板豎向裂縫常見于普通鋼筋混凝土箱梁，往往在拆模時就出現(xiàn)，裂縫寬度一般在以后數(shù)月內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，然后穩(wěn)定。主要影響因素有：①水化反應(yīng)引起的腹板內(nèi)部與表面的溫差；②混凝土表面與內(nèi)部收縮差。這些因素使得腹板表面處于受拉狀態(tài)，一旦拉應(yīng)力超過極限拉應(yīng)力，混凝土就會開裂。極限拉應(yīng)力、彈性模量是一個隨著時間而變化的變量。另外，應(yīng)力松弛也是早期混凝土的一大特點。

2.1 水化熱

混凝土澆筑后，經(jīng)歷了劇烈的升溫與緩慢降溫兩個過程。在腹板厚度方向，會存在水化熱溫度梯度。其實測數(shù)據(jù)差異很大，最大溫差7～36 ℃。由于本橋的結(jié)構(gòu)形式、施工方式、混凝土標號與文獻[3]接近，因此按照文獻取為21.6 ℃。

2.2 硬化收縮

混凝土硬化過程中，表面與內(nèi)部存在收縮差，由于內(nèi)外的相互約束，從而導致表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。文獻[3]研究了單面干燥條件下混凝土的收縮變形分布特征，與本橋混凝土強度、配合比相似的試件距離表面不同深度處的收縮變形。腹板中心處數(shù)據(jù)是按照95%RH推導出來的。

2.3 估算結(jié)果

混凝土早期開裂原因分析以往定性多于定量。但定量估算是必要的，以確認是否需要采取適宜的控制措施。估算假定如下：

（1） 水化熱作用下，彈模按照t=1 d取，溫度梯度變化按照二次拋物線取。彈模的變化、應(yīng)力松弛作用均不考慮。

（2） 將腹板混凝土收縮梯度擬合成冪函數(shù)形式。由于收縮早期發(fā)展快，彈模按照齡期t=3 d取。

水化熱作用下，估算腹板外側(cè)應(yīng)力：

σ1= 2/3× E （1） ×α×△t=2/3×1.17×104×10-5×21.6= 1.68 MPa＞R （1） =1.47 MPa，開裂風險非常大。

內(nèi)外收縮差產(chǎn)生的腹板外側(cè)應(yīng)力：

σ2=0.79×E （3） ×△ε（28）=0.79×2.20×104×196×10-6= 3.41 MPa

抗拉強度R（28） = 3.55 MPa

σ2＜R（28），拉應(yīng)力接近抗拉強度。

表1 各工況計算結(jié)果 /MPa

根據(jù)估算結(jié)果，腹板外側(cè)拉應(yīng)力會超過當時的混凝土抗拉強度，從而導致混凝土發(fā)生開裂。早期的裂縫在混凝土收縮的影響下，可能會進一步發(fā)展。

因此，施工中需要針對結(jié)構(gòu)特點，采取合適的措施防止早期裂縫的出現(xiàn)。對于可能發(fā)生早期裂縫的局部區(qū)域可增加普通鋼筋以提高抗裂性能。

3 結(jié)語

（1） 對于空間效應(yīng)明顯的寬箱，建議采用精細、全面的模型進行分析。

（2） 設(shè)計人員應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)受力合理的基礎(chǔ)上，考慮施工的便捷性，并采用合適的分析手段優(yōu)化預應(yīng)力布置。

（3） 梁端邊腹板外側(cè)預應(yīng)力度的不足使得這一區(qū)域成為類似普通鋼筋混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)。梁端較厚的腹板加劇了水化熱和收縮，當腹板外側(cè)拉應(yīng)力超過當時抗拉強度時，產(chǎn)生早期裂縫，形成了腹板豎向裂縫。

（4） 施工時需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采取合適的措施防止早期裂縫的出現(xiàn)。