斜拉橋主梁長懸臂翼緣板施工階段裂縫成因分析

姜涌， 龐晰中， 孫元軍， 劉哲， 陳俐光， 趙理祥， 朱萬旭

(1.中國建筑一局(集團)有限公司， 北京 100161；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

橋梁施工過程中，由于多種原因導致主梁開裂，將給橋梁結構強度和剛度帶來不同程度的損害，縮短橋梁壽命。防治翼板開裂是現場施工澆筑時容易忽視但又必須重視的問題。丁福東對天華鐵路東莊南川河特大橋翼緣板底部出現的裂縫進行分析，認為砼快速收縮是產生裂縫的主要原因；吳銜對某鋼筋砼簡支梁橋翼緣底部裂縫進行分析，認為溫度及砼收縮是翼板出現橫向裂縫的主要原因；張科勝對大榭大橋施工階段翼板底部裂縫進行分析，認為翼板出現橫向裂縫的主要原因是頂、底板兩次砼澆筑間隔時間較長。目前，中國對翼板裂縫成因的分析主要針對懸臂翼緣長度為4 m以下的主梁，而對翼緣長度為4 m以上的箱梁長懸臂翼緣板裂縫成因分析較少。該文結合某矮塔斜拉橋，針對長懸臂翼緣板在施工中出現的裂縫進行分析并提出應對措施，為該類橋梁裂縫防治提供依據。

1 施工概況及裂縫分布

某矮塔斜拉橋全長1 081 m，主橋為(120+2×210+120) m，采用整幅式斜腹板單箱三室截面，主梁為預應力砼變截面箱梁，采用C60砼，兩側采用2%雙向橫坡。主橋采用掛籃懸臂施工，一個T構矮塔單側共分為24個節段，1#～8#節段為無索區，1#～24#節段長劃分為(2×3.5+22×4.0) m。主梁0#節段采用臨時支架澆筑，1#～24#節段通過掛籃對稱懸臂澆筑。0#～6#截面中室頂板厚度為100～70 cm，其余截面為70 cm,頂面另設30 cm厚凸起構造；0#～6#截面邊室頂板厚度為55～28 cm，其余截面為28 cm。底板寬1 600～1 905.8 cm，底板厚由30 cm按照1.8次拋物線變化至100 cm。箱梁懸臂長8.25 m，板端部厚20 cm，根部厚50 cm，板厚為線性變化。懸臂翼緣支撐在40 cm厚橫肋上，端部設70 cm高小縱梁。跨中箱梁梁高3.8 m，梁高由3.8 m按1.8次拋物線變化至支座處節段7 m高。

受施工因素影響，3#、#4節段的施工間隔達15 d。施工中發現節線處的翼緣底部出現斜裂縫，主要集中在自由端附近，從上一節段向下一節段延伸；無漏水現象，裂縫無貫通。裂縫分布見圖1。

圖1 主梁翼緣裂縫分布

2 裂縫產生原因分析

從裂縫形態和分布情況來看，節段間橫向剪切作用是引起砼開裂的主要原因。而節段間橫向剪切作用主要來源于節段間砼的橫向收縮差異和橫向預應力筋引起的翼板橫向壓縮差異。

2.1 節段間砼的橫向收縮差異

砼的收縮與齡期有密切關系。施工過程中，由于相鄰節段的澆筑時間間隔較長，后澆節段開始收縮時，先澆節段已完成部分收縮，在節段間產生較大收縮差異。而且主梁采用長懸臂翼緣板，翼板沿橫向收縮增大。凝結初期砼收縮發展很快，2周可達到全部收縮量的25%，1個月達到50%。因此，在后澆節段澆筑完成后，其砼收縮快于先澆節段，使后澆節段在收縮時受到先澆節段的約束，在節線處產生切應力。

2.2 橫向預應力筋引起的翼板橫向壓縮差異

為滿足箱梁頂板的強度、剛度和抗裂要求，在箱梁頂板布置間距為40 cm的橫向預應力鋼束，采用4φs15.2鋼絞線。砼強度達到90%且期齡不小于7 d時，對橫向預應力筋進行張拉，此時后澆節段砼還在收縮階段，后澆節段橫向預應力筋的張拉增大了節段間砼收縮的差距。節段間砼的收縮與橫向預應力筋引起翼板的橫向壓縮都會形成兩節段間的橫向剪切作用，且兩者作用的方向一致，從而使節段間翼板砼剪切作用增大。

3 有限元分析

采用有限元軟件ANSYS14.0 建立翼板三維有限元實體模型，模型采用Solid65單元，共25 620個節點、19 328個單元(見圖2)。

圖2 翼板有限元模型

3.1 砼收縮差異的影響

該階段主要是砼的收縮過程。考慮到節段間施工間隔時間較長，將先后節段設置成不同的熱膨脹系數。利用同一溫度下不同熱膨脹系數的砼收縮量不同，模擬節段間砼的橫向收縮差異。砼收縮差異影響下節線處主拉應力見圖3。

由圖3可知：在節線處產生較大拉應力，在后澆節段靠近自由端附近產生最大拉應力3.63 MPa，該數值已大于C60砼抗拉強度標準值2.85 MPa，導致翼緣開裂。

圖3 節段間砼收縮差異影響下主拉應力云圖(單位：MPa)

3.2 橫向預應力的影響

對該階段模型進行分析時，忽略砼收縮效應對裂縫的影響。橫向預應力影響下節線處主拉應力見圖4。

圖4 橫向預應力引起壓縮差異時的主拉應力云圖(單位：MPa)

由圖4可知：在后澆節段自由端附近的應力較集中，產生0.6 MPa的最大拉應力。其作用效果與砼收縮差異一致，兩者對翼緣砼產生的疊加效應最終導致砼開裂。

4 裂縫控制措施

根據以上分析，要想在施工過程中控制箱梁懸臂翼板開裂，需采取措施減小節段間翼緣的橫向變形差異。可采取以下措施：

(1) 嚴格控制相鄰節段的齡期差。控制節段間砼澆筑時間間隔，能減少相鄰節段間不同齡期砼收縮差異。如果施工工期延誤導致相鄰節段間齡期相差過大，需采取必要措施，防止節段間砼收縮差異而導致開裂。

(2) 分批張拉橫向預應力筋，優化橫向預應力筋張拉順序。同時張拉相鄰節段的部分橫向預應力筋，使橫向預應力筋的張拉滯后完成，減小橫向預應力對節段間砼的壓縮差異。

(3) 加強施工階段砼養護，做好保濕、保溫措施。主梁采用長懸臂翼緣板，翼板構件的理論厚度較小，與大氣接觸的周邊長度大，導致砼收縮增大。保證良好的養護措施，能延緩后澆節段的收縮，從而減小節段間砼的收縮差異。

控制節段間的齡期差是重要也是首要的控制措施。為提高施工質量，且不影響施工進度，該橋后續施工中采取嚴格控制齡期差和加強砼養護的措施，消除了主梁翼緣板的裂縫，取得了良好控制效果。

5 結論

主梁采用長懸臂翼緣板，翼緣砼的收縮會偏大，若施工不當，將增大節段間砼收縮差異，導致砼開裂。相比于砼收縮對翼緣橫向剪切作用的影響，橫向預應力筋引起的翼板橫向壓縮差異不明顯，但兩者的疊加效應會增大翼緣橫向剪切作用，導致翼緣開裂。施工過程中采取適當的控制措施，能有效預防該類裂縫的產生。