預應力混凝土T梁早期豎向裂縫分析

徐亞飛，周建庭，陳增順，唐 杰

(重慶交通大學土木與建筑學院)

混凝土材料為非均質的，結構承受拉力作用時，截面內各質點受力是不均勻的，存在大量不規則的應力集中點，部分應力集中點因應力首先達到混凝土抗拉強度極限值，引起局部變形，若配置鋼筋量不足，便在應力集中處出現裂縫。因此當溫度收縮在T梁中跨引起的水平法向應力σxmax超過了混凝土的抗拉強度，將出現第一條裂縫，一片梁分為兩片，內力重分布，每片T梁又有自己的水平應力分布，且其圖形完全相似，但其最大值由于長度減少了一半而減少，若該值仍然超過抗拉強度，則形成第二批裂縫，每片再分成兩片，共四段梁三條裂縫。如此持續下去一直到最后那段梁中部最大水平應力小于或等于抗拉強度，裂縫便穩定，不再增加。因此預制T梁的裂縫“一再從中部開裂”是比較有規律的，且兩邊對稱，但事實由于混凝土抗拉強度不均勻，而使裂縫部位有時不完全位于中部。

預應力混凝土T梁早期豎向裂縫分析

徐亞飛，周建庭，陳增順，唐 杰

(重慶交通大學土木與建筑學院)

通過對現場的勘察以及裂縫狀況研究與分析，得出了預應力混凝土T梁早期豎向裂縫產生的原因:混凝土的干縮不均勻;裂縫的“摸箍作用”;溫度收縮應力較大;混凝土保溫保濕不足。進一步做了有限元仿真分析，得出溫度應力是裂縫產生的主要原因，但經裂縫指數分析，裂縫水平為表面裂縫，與實際相符。

早期豎向裂縫;溫度收縮應力;阻力系數;裂縫指數

1 工程實例

1重慶市開縣趙白路某大橋為5×40跨預應力混凝土簡支梁橋，主梁采用預應力混凝土T梁形式。從2012年7月22日開始至8月5日，有5片T梁在澆筑后2～3 d(未張拉預應力)，在梁體腹板突然出現若干條細小裂縫。

2 裂縫狀況

重慶市開縣趙白路某大橋在預制T梁過程中，在T梁腹板發現若干條裂縫，裂縫均在翼緣與馬蹄之間部位，部分為橫隔板與T梁交界附近，方向為豎向。2012年8月8日，某檢測中心對T梁進行了超聲波檢測，檢測發現5-1#、5-5#梁各有一條裂縫;5-3#、5-4#、5-2#梁有兩條裂縫。裂縫寬度為0.2～0.4 mm;裂縫深度為13～40 mm。

3 裂縫產生原因分析

3.1 干縮不均勻

早期裂縫一般主要是由構件的不均勻收縮引起的。收縮又與構件的尺寸有一定關系，較薄構件具有較大(較快)的收縮，較厚的具有較小的收縮?？梢远糠从尺@一關系的是水力半徑的倒數r，r越大收縮越大。

混凝土構件的水力半徑倒數，即構件受包圍截面的周長L(與大氣接觸的長度)與該周邊所包圍的截面面積F之比。

r=周邊長/截面面積

r(腹板)=0.35;r(翼緣板)=0.11

因此具有較大收縮的腹板受到翼緣板的約束，腹板產生拉應力。沿縱向(即尺寸較大方向)拉應力較大，產生的裂縫與最大應力垂直，且呈豎向。由于收縮沿腹板面不均勻，外表面收縮大，里表面收縮小，故為表面性裂縫。

3.2 裂縫的“摸箍作用”

如鋼筋混凝土梁的鋼筋對混凝土的收縮起到了引起約束應力的作用，但是，當裂縫形成時，鋼筋又起了約束裂縫形成和擴展的阻力作用，以此，裂縫距約束有一定距離，這種作用叫做“摸箍作用”°

具有連續式約束的結構物，如地基上的長墻，承受溫度或收縮變化時，最大的約束應力在約束邊，因此裂縫應該由約束邊出發向上發展，但是，實際觀察到的裂縫并不是完全由約束邊出發，而是離約束邊還有一定距離逐漸向上發展。還有在梁板結構中，板的四個邊緣有加筋肋，樓板收縮變形時，受到肋的約束，最大約束應力應在肋的邊緣，裂縫理應在肋邊出現，但是，裂縫距離肋也保持一定距離，形成裂縫。

根據以上原理，工程預制T梁受到預制平臺連續約束，最大的約束應力在約束邊，即腹板的四個邊緣有加筋的翼緣板、橫隔板和擴大的馬蹄約束。因在T梁養護過程中過早揭開草墊致使腹板收縮突變，受到翼緣板與馬蹄的約束，最大約束應力應在翼緣板與馬蹄的邊緣，裂縫理應在邊上出現，但是，裂縫距離翼緣板與馬蹄保持一定距離，形成豎向裂縫。

3.3 溫度收縮應力分析

其中:τ為結構物同地基接觸面上的剪應力;Cx為比例系數，地基水平阻力系數，引起單位位移的剪應力;H為結構物高度;H(t，τ)為混凝土的松弛系數;α為混泥土線膨脹系數。

水平應力σx是設計主要控制應力，是經常引起垂直裂縫的主要應力，其最大值在截面的中點x=0處，此處剪應力τ=0，即最大主應力。

混凝土材料為非均質的，結構承受拉力作用時，截面內各質點受力是不均勻的，存在大量不規則的應力集中點，部分應力集中點因應力首先達到混凝土抗拉強度極限值，引起局部變形，若配置鋼筋量不足，便在應力集中處出現裂縫。因此當溫度收縮在T梁中跨引起的水平法向應力σxmax超過了混凝土的抗拉強度，將出現第一條裂縫，一片梁分為兩片，內力重分布，每片T梁又有自己的水平應力分布，且其圖形完全相似，但其最大值由于長度減少了一半而減少，若該值仍然超過抗拉強度，則形成第二批裂縫，每片再分成兩片，共四段梁三條裂縫。如此持續下去一直到最后那段梁中部最大水平應力小于或等于抗拉強度，裂縫便穩定，不再增加。因此預制T梁的裂縫“一再從中部開裂”是比較有規律的，且兩邊對稱，但事實由于混凝土抗拉強度不均勻，而使裂縫部位有時不完全位于中部。

圖1 溫度收縮裂縫情況

從公式(3)可以看出在混凝土材料、結構尺寸一定的條件下，溫度收縮應力僅由溫度T和阻力系數Cx決定。不妨假定降溫為40℃，從而得到溫度收縮應力σxmax與阻力系數Cx的關系，如圖2所示。

圖2 溫度應力隨阻力系數的變化

從圖2可以看出T梁的溫度收縮應力急劇增加，一般的素混凝土的阻力系數為7×10-1N/mm3，而現場預制平臺是在表面做了一定處理的素混凝土，在此取阻力系數為3×10-1N/mm3，混凝土 C50彈性模量 E 為 3.45×104MPa，α 取1×105，此時的溫度收縮應力為2.95 MPa大于了混凝土的抗拉強度2.65 MPa，產生裂縫。若對預制平臺一定滑動層處理，減小阻力系數到2×10-1N/mm3之內，此時溫度收縮應力為2.2 MPa，若再對溫度加以控制，如降溫差控制在30℃內，溫度應力則為1.7 MPa，即可控制裂縫的出現。

3.4 保溫保濕不足

一種結構是粘性的還是脆性的，不但看材料的物質組成，還要看造成約束應力的作用時間(或荷載作用時間)比該結構的松弛周期長還是短。混凝土是具有流變特征的材料，如果盡力降低荷載速度(或降低約束變形變化速度)，那么通常認為的脆性混凝土也變得相當粘滯了，它的極限抗拉伸可以提高1～3倍，對控制裂縫十分有利。

但在本工程的裂縫調查過程中發現，在T梁拆模后，過早揭開草墊，并且當時為夏季溫度高達40℃，T梁在短時間水分失去速度較快，這就相當于加快了約束變形變化的速度，而使本來就相對脆性的混凝土變得更脆化，以致裂縫出現。另外若在冬季施工，在養護過程中保溫尤為重要，若溫度降的較快，混凝土徐變性質得不到發揮，沒有應力松弛效應，將呈彈性脆裂。

4 T梁水化熱有限元分析

4.1 有限元模型建立

采用結構有限元分析軟件Midas Civil，對40mT梁進行實體建模。參數取值如下:材料T梁C50混凝土，預制平臺C30混凝土，材料抗壓強度采用ACI標準;環境溫度采用正弦函數，溫度變化幅度T取5°，平均溫度35℃。

4.2 裂縫指數

利用韓國混凝土規范中使用溫度裂縫指數預測裂縫是否發生。

裂縫指數=混凝土抗拉強度/溫度應力

防止裂縫發生時:1.5以上;限制裂縫發生時:1.2～1.5;限制有害裂縫發生時:0.7 ～1.2。

4.3 有限元計算結果分析

取中跨翼緣板、腹板及馬蹄內部給一點，分別為N16429、N13604、N8645，其與容許抗拉強度對比如圖4。

圖3 T梁澆筑后40 h應力場

從圖3、4可以看出在T梁澆筑兩天左右出現最大溫度應力，主要出現在中跨至1/4跨之間，最高可達到3.1 MPa，超過了混凝土的容許拉應力2.65 MPa，裂縫指數為0.85，為限制有害裂縫產生水平。中跨翼緣板、腹板、馬蹄裂縫指數如表1，可以看出在T梁澆筑1～2 d內，因混凝土早期強度不足而水化熱引起的溫度應力較高，T梁易產生裂縫，且為表面裂縫。翼緣板與腹板受拉，應力較高，裂縫本應該在從翼緣板出現，但由于“摸箍作用”裂縫在距離翼緣板一定距離產生。

圖4 溫度應力與混凝土容許拉應力對比

表1 T梁裂縫指數

5 裂縫的處置及建議

經過以上分析，本工程的裂縫主要是溫度、收縮引起的裂縫，并且是表面裂縫，裂縫深度都在混凝土保護層之內，且結構還未受力，裂縫為非結構性裂縫。另一方面鋼筋混凝土結構由于荷載引起的裂縫與變形約束應力引起的裂縫有本質的區別，前者裂縫的出現與不斷擴展引起內力增加，后者引起內力的不斷松弛。因為是表面裂縫且預制T梁在張拉預應力后，預加力也是對腹板豎向裂縫也是有利的，本工程裂縫采取了“壁可法”裂縫修補，在后續施工中未發現問題，可作為類似工程問題借鑒。

為了防止以后工程發生類似問題，給出如下建議(1)設計方面:適當增加構造配筋，在橫隔板和T梁接觸處以及腹板中部加強分布鋼筋，盡量采用小直徑、密間距;設計中要考慮溫度、收縮應力的影響°(2)材料方面:科學地選取材料配比，用較低的水灰比、水和水泥用量;嚴格控制沙石骨料的含泥量°(3)施工方面:采用保溫隔熱法對混凝土進行養護;控制降溫速度;用草墊和塑料薄膜進行保溫和保濕，不可過早揭開草墊;改變底模結構類型，設置滑動層和壓縮層減小預制平臺對預制梁的約束作用。

6 總結

通過以上分析可以得出，T梁豎向裂縫主要是由于混凝土收縮及溫度應力而產生，歸根結底的來說是T梁變形因收到約束而產生。如若減小預制平臺的阻力系數，減小結構的變形約束;在橫隔板與T梁以及T梁腹板中部配置一定的鋼筋網，增強結構的強度等此類“放”與“抗”的裂縫控制方法，將會使工程裂縫問題出現的概率大大減小。

［1］錢永久，車惠民，余曉華.腹板上有豎向裂縫的鋼筋混凝土T梁抗剪強度試驗研究［J］.西南交通大學學報，1994，29(4)，385-389.

［2］姜增國，姜川，郭玉峰，黃濤.預應力混凝土T梁早期裂縫原因分析［J］.武漢工程大學學報，2012，34(5)，23-26.

［3］齊武生，藤燕寧.箱梁裂縫成因分析與“壁可”法加固技術應用［J］.公路交通技術，2004，12(6)，86-88.

［4］徐廣澤.預制混凝土T型梁早期裂縫的成因與防治［J］.交通世界，2010，(1):113-114.

U445.7

C

1008-3383(2014)03-0095-02

2013-10-19

徐亞飛(1986-)，男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事橋梁檢測、評定、加固與結構監測方向的工作。

文獻中關于地基上長墻溫度收縮應力基本公式(1)、(2)