施工期預制小箱梁腹板端部開裂成因分析及試驗研究

李廣奇，南驍聰，宋曉東

（1.山東省混凝土材料與橋梁結構工程技術研究中心，山東 濟南 250031；2.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002；3.東南大學 交通運輸學院，江蘇 南京 211189）

1 研究背景

近年來，我國高速公路新建和改擴建工程進入了快速發展時期，預制小箱梁結構由于施工簡便，可有效縮短工期等優點，在高速公路橋梁建設中得到廣泛應用。通過現場調查發現，預制小箱梁存在多種類型的裂縫，如腹板縱向裂縫、底板縱向裂縫、支點斜向裂縫和跨中豎向裂縫等。不同類型的裂縫，產生時間（施工期或運營期）、開裂成因及對結構的承載力和耐久性影響也不相同，裂縫分析和處置需仔細甄別，對癥施治。其中，施工期的預制小箱梁在梁端腹板與翼緣交界處易出現斜向開裂現象，邊梁尤為常見。

對預制小箱梁常見的開裂病害，薛達[1]等針對預應力混凝土小箱梁跨中裂縫的成因和加固方法進行了研究；馬一帆[2]針對帶有裂縫的預制小箱梁，運用有限元的方法進行了模擬分析，結合現場試驗分析裂縫產生的原因及裂縫對結構性能的影響等。

2 工程概況

某高速公路新建項目，中等跨徑橋梁采用30 m的簡支裝配式預應力混凝土小箱梁結構，小箱梁構造見圖1。通過梁場實地調研發現，部分預制小箱梁支點腹板與翼緣交界處存在多條斜向裂縫，裂縫較短，走向均為向跨中抬頭，此類現象在邊梁中較為普遍，邊梁長翼緣側裂縫較多，短翼緣側裂縫很少或基本沒有。梁體已張拉完畢，均放置在預制臺座上，除自重荷載外，無其他荷載作用。裂縫照片見圖2。

圖1 30 m預制小箱梁邊梁構造

圖2 30 m預制小箱梁端部腹板斜向裂縫

3 計算分析

（1）斜裂縫基本分布于長翼緣側，翼緣與腹板交界處，考慮長翼緣的剪力滯效應比較明顯，壓應力由腹板傳遞到翼緣的過程中，受剪力滯后的影響，應力分布并不均勻，容易造成局部破壞；（2）對于放置在制梁臺座上的小箱梁，基本無外力作用，根據裂縫的走向，延伸到梁端大體與鋼束1位置吻合。

基于以上分析，根據預應力鋼束張拉順序和張拉力建立實體有限元模型見圖3～圖4。有限元模型中，混凝土梁采用線性完全積分的六面體單元（C3D8），預應力鋼筋采用線性、兩節點的桁架單元（T3D2）。混凝土梁與預應力鋼筋之間采用嵌入約束方式，預應力筋張拉力采用降溫法模擬。

圖3 30 m預制小箱梁實體有限元模型

圖4 實體有限元模型鋼束布置

根據設計圖紙，預應力鋼束張拉順序為1-3-2-5-4（鋼束編號見圖1（b）），張拉力為0.75fpk=1 395 MPa。根據張拉順序建立有限元模型分級加載工況，計算結果見圖5。各張拉工況下的主拉應力最大值及分布位置見表1。

圖5 邊梁張拉鋼束1主拉應力分布

表1 不同張拉工況最大主拉應力分布統計

由圖5和表1可以看出，在張拉完鋼束1后：（1）邊梁長翼緣側的主拉應力較大，應力分布較為集中，短翼緣側主拉應力較小，應力分布較為均勻；（2）長翼緣側主拉應力較大的位置與腹板斜裂縫產生的位置較為吻合，呈現較強的相關性，其余張拉工況的主拉應力分布規律，與裂縫分布偏差較大。可以推斷，此類腹板斜向裂縫的產生主要是由張拉鋼束1引起：（1）與鋼束1的分布位置有關；（2）與鋼束1的張拉力有關，由于施工控制問題導致部分梁板實際張拉力大于設計張拉力。結合現場調查情況，此類裂縫只存在于部分梁板，而所有梁的鋼束張拉順序均一致，推測張拉順序并非主導因素，關鍵控制因素是張拉力的大小。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG-3362-2018）第6.3.1條[3]對于斜截面抗裂驗算的規定，對于全預應力預制混凝土構件，斜截面混凝土主拉應力σtp應符合要求：

從表1可以看出，張拉鋼束引起的最大主拉應力均超過了斜截面抗裂驗算的設計限值，但實際上并不是在每個最大主拉應力的位置均產生了裂縫，梁板的實際斜截面抗裂能力未知。因此，雖然張拉力是裂縫產生的重要因素，但從理論計算角度上討論張拉力的大小對裂縫產生的影響意義不大。

4 試驗分析

為了判別腹板斜縫在外荷載作用下的發展變化情況，對小箱梁端部進行加載試驗。根據公路I級車道荷載作用下的梁端最大剪力工況，試驗荷載取值為503 kN。在典型腹板斜縫位置布置應變計（標距10 cm），加載過程中讀取應變值，并換算成裂縫寬度變化。試驗布置見圖6。

圖6 30 m預制小箱梁端部加載試驗布置

加載試驗結果見表2，可以看出，在梁端最大剪力工況下：（1）腹板斜縫寬度變化最大值為0.016 mm，相對于縫寬，變化量可忽略不計；（2）加載過程中應變無突變，說明裂縫處未產生應力集中現象。推斷此類腹板斜縫對梁端抗剪承載力基本無影響。

表2 不同張拉工況最大主拉應力分布統計

5 結語

（1）梁端斜向開裂的產生與預應力鋼束張拉順序和張拉力大小有較強的相關性，最上緣鋼束張拉影響最大，張拉力大小起主導作用，施工過程中應嚴格控制張拉力大小，避免此類裂縫產生；（2）梁端斜向開裂影響結構耐久性，對梁端抗剪承載力基本無影響；（3）梁端斜向開裂是否與張拉過早或混凝土質量差有關，現場調研未發現相關證據，有待于進一步驗證。