三向預應力混凝土斜拉橋箱梁裂縫研究

孫文火, 李平杰

(中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

預應力混凝土箱梁因其突出的優點：整體性好、抗扭剛度大、能夠承受正負彎矩等，使其在現代橋梁中得到廣泛運用[1-3]。從簡單的簡支梁橋和中小跨徑的連續梁橋到復雜的大跨徑斜拉橋和懸索橋，預應力混凝土箱梁都有著廣闊的應用空間。

預應力混凝土箱梁在現代斜拉橋中得到廣泛運用，特別是單索面的斜拉橋，較大的抗扭剛度有利于承受偏向荷載，且箱梁也有利于斜拉索和主梁的連接[4-5]。中國在用的許多預應力箱梁斜拉橋都取得不錯的運營效果，如銅陵長江大橋、武漢長江二橋、鄂黃長江大橋、錢江二橋等。

在實際工程中，預應力混凝土箱梁在施工和運營中常出現各種不同性質的裂縫，裂縫問題成了困擾工程界的一個重大難題[6-8]。造成裂縫的原因很多，混凝土水化熱常被認為是預應力箱梁施工裂縫的主要原因。許多學者對混凝土水化熱做了大量的研究[9-12]。研究表明水化熱確實是混凝土箱梁產生施工裂縫的一個重要原因。通過模擬現場實測溫度場，對嘉陵江大橋進行了水化熱分析。分析表明水化熱確實是形成箱梁施工裂縫的一個原因，但是單純的水化熱又不足以使嘉陵江大橋腹板產生施工裂縫，這一結論在嘉陵江大橋施工中得到了證實：加強對箱梁施工時的養護并不能有效減少施工裂縫。因而，提出箱梁三向預應力鋼筋張拉順序成為嘉陵江大橋施工裂縫產生的另一個重要原因。

預應力混凝土箱梁一般在縱向、橫向和豎向3個方向上均布置了預應力鋼筋，在實際工程中，經常為了加快施工進度，將橫向和豎向上的預應力鋼筋滯后縱向1～2節段張拉，施工工藝的不同將會引起結構受力變化。基于嘉陵江大橋工程背景，旨在研究三向預應力鋼筋張拉順序對箱梁施工裂縫的影響，為同類預應力箱梁施工裂縫控制提供指導意義。

1 工程背景

都京港嘉陵江大橋主橋采用單索面矮塔斜拉結構，墩塔梁固結體系(圖1)。橋跨布置為(122+220+122)m，主橋為雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，主橋全長464 m。主梁采用單箱三室大懸臂變截面預應力混凝土連續箱梁，支點梁高8.0 m，跨中梁高3.8 m，從中支點橫梁起106.5 m 范圍內梁高按二次拋物線變化。箱梁頂板寬度為31.5 m，懸臂板長為4.75 m，箱梁底板寬度為16.602～19.828 m，邊室斜腹板與豎直面夾角為21°。

圖1 嘉陵江大橋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Jialing River Bridge

嘉陵江大橋在主梁施工中出現不同程度的裂縫，如圖2所示。主梁0#塊根部裂縫分布于邊腹板外側，起點為墩身與0#塊連接部，左、右側共計4道，呈斜向分布；每節段腹板均出現不同程度的斜向和水平裂縫；底板裂縫均為縱向裂縫，主要分布在底板底面中部，中腹板外側。

圖2 箱梁裂縫Fig.2 Crack diagram of box girder

2 水化熱

2.1 0#塊

嘉陵江大橋主梁采用懸臂施工，首先澆筑0#塊，0#塊混凝土強度高、體積大、截面尺寸大，水化熱反應劇烈，內部會產生較大的溫度，造成混凝土內外溫差過大，可能出現溫度裂縫。為分析水化熱對0#塊的影響，利用Midas FEA建立了0#塊有限元模型，并選取了10個計算點，如圖3所示。

圖4給出了0#塊在水化熱作用下720 h時的溫度圖和第一主應力圖。由圖4可以看出，在720 h時0#塊所有部位均已冷卻至14 ℃(環境溫度)，此時，混凝土水化熱使得0#塊產生3個次應力區，其中兩個次應力區較大，位于0#塊和墩身連接角處(左、右各一個)，另一個次應力區相對較小，位于兩個大次應力區的中間(0#塊和墩身連接處)。由于0#塊澆筑在已經施工完畢的主墩上，混凝土水化熱使得0#塊產生受力變形，而主墩限制了0#塊和墩身連接處的變形，從而使得此處產生較大的溫度次應力。所以，在施工過程中要關注施工梁段和已施工主體的連接處，因為這里會產生較大的溫度次應力。嘉陵江大橋新舊梁連接處腹板產生裂縫主要原因就是水化熱產生的溫度次應力。

圖3 0#塊水化熱實體模型Fig.3 Hydration heat solid model of segment No.0

圖4 0#塊720 h計算圖Fig.4 Calculation diagram at 720 h of segment No.0

由5可以看出，在混凝土水化熱前期，0#塊第一主應力逐漸增大，增幅最快的兩個點(1、2節點)出現在0#塊和墩身連接角處，隨著混凝土水化熱的進程，混泥土逐漸冷卻，0#塊大部分應力逐漸減小，整個過程中最大拉應力為1.8 MPa，而0#塊和墩身連接角處兩點(1、2節點)應力仍然逐漸增大，且維持較高的增長幅度，假如混凝土不開裂，這兩處的拉應力可以達到20 MPa。所以，在水化熱作用下，0#塊和墩身連接角處將出現裂縫，這和嘉陵江大橋施工中0#塊裂縫完全吻合。而由圖4可知，0#塊在水化熱作用下還有一個較大的次應力區，在嘉陵江大橋0#塊施工中并沒有出現裂縫，這是由于0#塊和墩身連接角處應力增長最快，混凝土首先開裂，釋放了溫度次應力，所以此處并沒有出現裂縫，而溫度次應力的釋放進一步增加了角區裂縫的增長，所以嘉陵江大橋0#塊在兩個連接角區出現較大的裂縫。

圖5 0#塊第一主應力Fig.5 First principal stress diagram of segment No.0

2.2 一般梁段

嘉陵江大橋在主梁施工過程中，箱梁底板和腹板普遍出現各種裂縫，利用Midas FEA對箱梁進行水化熱分析。為了解箱梁水化熱過程中混凝土溫度的變化，在20#墩8#塊同一斷面埋設4個應變計。現場埋設如圖6所示，應變計埋于最底層鋼筋之下，位于保護層內。

將模擬溫度場和現場實測溫度進行了對比，如圖7所示，表明有限元模型有較好的溫度場模擬效果。

在底板底面和腹板均選取10個計算點，如圖8所示，分析混凝土水化熱對箱梁底板和腹板受力的影響。

圖6 應變計埋設布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of strain gauge layout

由圖9可知，底板水化熱最大拉應力出現在6 h附近，最大拉應力為2.3 MPa，應力變化趨勢和溫度場的變化基本一致，所以水化熱是嘉陵江大橋底板裂縫產生的主要原因之一。

圖10 邊腹板水化熱應力Fig.10 Stress of hydration heat of web

由圖10可知，邊腹板水化熱最大拉應力出現在6 h附近，最大拉應力為1.1 MPa，應力變化趨勢和溫度場的變化基本一致，10節點拉應力在水化熱后期基本維持在1 MPa，因為它位于腹板和底板連接處，也是水化熱溫度次應力區。因而，單獨的水化熱作用不能使得嘉陵江大橋施工中邊腹板產生施工裂縫。

3 預應力鋼筋張拉順序

預應力混凝土箱梁橋在縱向、豎向和橫向3個方向上均布置了預應力鋼筋，但三者的張拉順序在許多橋梁施工中并沒有明確，這可能是預應力混凝土箱梁橋在施工中出現裂縫的原因之一。下面利用Midas FEA軟件建立預應力混凝土箱梁有限元空間實體模型，研究三向預應力鋼筋不同張拉順序對結構受力特性的影響。

嘉陵江大橋預應力的張拉按照縱、橫、豎的順序進行預應力張拉，橫向、豎向預應力滯后縱向應力1～2個節段后再張拉。這里選取3個不同的張拉順序來分析豎向和橫向預應力筋滯后對箱梁受力特性的影響，張拉順序如表1所示。分別在底板、腹板和頂板上選取9、8、9個計算點，如圖11所示。

表1 預應力筋不同張拉順序Table 1 Different tension sequences of prestressed tendons

圖11 第一應力計算點Fig.11 Calculation points of first principal stress

3.1 底板受力特性

首先分析三向預應力鋼筋不同張拉順序對底板受力的影響，拉應力是箱梁產生裂縫的原因，在整個施工過程中，底板的拉應力主要出現在底面，因而，下面分析底板底面的第一主拉應力，圖12給出了3種工序下底板底面第一主應力。

由圖12可知，可將底板底面受拉區域看成3部分：主受拉區(4、5、8節點)、次受拉區(1、2、3、6、9節點)和過度區(7)。當橫、豎預應力筋滯后張拉時，主受拉區受力特性表現為：拉應力增長較快，在進行下一階段施工時很快達到較大的拉應力，且提高了主受拉區的最終拉應力；次受拉區受力特性表現為：拉應力較工序一要小，越遠離主受拉區的節點表現越明顯，且最終狀態拉應力較工序一要小；過渡區底板拉應力情況介于它們之間。在實際工程中，如果橫、豎預應力筋滯后張拉，一定要關注底板主受拉區，尤其保證在進行下一節段施工時混凝土獲得足夠強度。這成為嘉陵江大橋底板施工裂縫的原因之一。

3.2 腹板受力特性

下面分析邊腹板的第一主拉應力。圖13給出了3種工序下邊腹板第一主應力。

圖12 底板應力(1～9節點)Fig.12 Stress of the base plate

圖13 腹板應力(1～8節點)Fig.13 Stress of the web

由圖13可知，橫、豎預應力筋滯后張拉大大增大了腹板在施工過程中的拉應力，且滯后2個節段較滯后1個節段這種增大表現得更為明顯，即橫、豎預應力筋滯后張拉節段越多，腹板在施工中拉應力越大。但橫、豎預應力筋滯后張拉最終狀態腹板拉應力影響很小，盡管增大了腹板最終狀態拉應力，但是這個增加量相對施工中腹板的拉應力很小，可以忽略不計，所以這里認為橫、豎預應力筋滯后張拉不影響腹板最終狀態拉應力。在實際工程中，如果采用橫、豎預應力筋滯后張拉的施工工序，要特別關注腹板的受力，嘉陵江大橋在施工過程中腹板出現施工裂縫，橫、豎預應力筋滯后1～2節段張拉是一個重要的原因。且6#梁體施工完張拉縱向預應力筋腹板的拉應力增大，這解釋了嘉陵江大橋腹板裂縫在縱向預應力筋張拉后裂縫更為顯著的現象。

3.3 頂板受力特性

下面分析頂板的第一主拉應力。圖14給出了3種工序下頂板第一主應力。

圖14 頂板應力(1～9節點)Fig.14 Stress of the top plate

由圖14可知，類似底板，可將頂板受拉區域分為3部分：主受拉區(3、4、5、7節點)、次受拉區(1、2、6節點)和角區(8、9節點)。主受拉區和次受拉區處，橫、豎預應力筋滯后張拉大大增大了頂板在施工過程中的拉應力，滯后2個節段較滯后1個節段這種增大表現得更為明顯，且滯后張拉增大了頂板最終狀態拉應力，而角區處(頂板和腹板連接處)拉應力表現出相反的特性。橫、豎預應力筋滯后張拉不僅大大增大了主受拉區施工工程中的拉應力，且增大了其最終狀態拉應力。相比主受拉區，次受拉區雖然表現出同樣的特性，但此處最大拉應力出現在梁段施工(未進行預應力筋張拉)階段，后續預應力筋的張拉未提高頂板的拉應力。因而，在實際工程中，如果采用橫、豎預應力筋滯后張拉的施工工序，要特別關注頂板的主受拉區。

4 結論

三向預應力鋼筋的張拉順序成為嘉陵江大橋箱梁底板和腹板產生施工裂縫的關鍵原因之一。

(1) 嘉陵江大橋新舊梁連接處腹板產生裂縫主要原因是水化熱產生的溫度次應力。

(2)橫、豎預應力筋滯后張拉使得進行下一階段施工時，箱梁底板很快達到較大的拉應力，這是嘉陵江大橋底板裂縫的重要原因之一。

(3)單獨的水化熱作用不能使得箱梁腹板產生裂縫。橫、豎預應力筋滯后張拉成為箱梁腹板出現不同程度裂縫的主要原因。

(4)橫、豎預應力筋滯后張拉使得箱梁最終的拉應力有所增大，但是這個增量很小。因而，可以認為橫、豎預應力筋滯后張拉并不會影響箱梁最終的結構受力狀態。