連續剛構橋懸臂施工過程中箱梁腹板反向裂縫分析

【摘要】箱形梁橋由于其良好的結構性能，在連續剛構橋等橋型中應用廣泛，在懸臂施工中腹板經常會出現沿縱向預應力筋方向的斜裂縫，該裂縫會影響橋梁整體安全性、實用性及耐久性。通過理論分析和有限元軟件ABAQUS計算，造成腹板反向斜裂縫的主要原因是張拉腹板縱向預應力時錨固端應力集中和豎彎處徑向力過大導致主拉應力超限。

【關鍵詞】箱梁橋；混凝土；腹板；反向斜裂縫；ABAQUS；預應力筋；主拉應力

1 前言

箱型截面梁具有良好的結構受力性能，被廣泛應用于連續梁橋、連續剛構橋中， 隨隨之而來的相關病害也越來越多，其中之一為箱梁腹板反向裂縫。該裂縫正好沿著腹板縱向預應力，其方向與預應力鋼束大致平行。

經調查發現反向裂縫出現于本施工段完成，模板拆除支架移動之后，主要在箱梁腹板的內側。本文預通過理論分析與有限元計算找到預應力箱梁腹板反向開裂的原因，并為以后此類橋梁的設計和施工提供依據及經驗。

2 腹板反向裂縫產生的原因的理論分析

2.1主拉應力計算公式

橋梁規范中給出了橋梁正常用階段由荷載短期效應組合和預加力產生的混凝土主拉應力按照下列公式結算[12]：

（1）

規范計算考慮了豎向預應力產生的豎向應力，縱向預應力筋產生的縱向應力，縱向預應力筋彎曲產生的豎向應力。

2.2腹板反向開裂敏感性因素分析

由于預應力鋼筋混凝土結構材料本身的復雜性，而引起箱梁腹板反向開裂的因素眾多，下邊將分析可能存在的敏感性因素。

（1）預應力筋的張拉

1）縱向預應力

縱向預應力的張拉會首先會在錨固端引起應力集中。腹板縱向預應力筋的豎向彎曲會在彎曲處產生較大的徑向力，該徑向力會到主拉應力產生較大的影響；縱向預應力的偏心作用會產生彎曲正應力和剪應力，會對主拉應力產生影響。

2）豎向預應力

《公預規》中關于主拉應力的計算考慮了豎向預應力鋼束的影響， 即為由豎向預應力鋼束的預加力產生的混凝土的豎向壓應力。在橋梁施工中，豎向預應力鋼束往往滯后于腹板和頂板預應力鋼束的張拉，這無疑會對施工過程中腹板的抗裂產生不利影響。

（3）預應力孔道

經過施工現場的調查發現，在本施工段縱向預應力張拉施工完成，移動模板之后發現腹板內側出現反向斜裂縫，該裂縫是產生于腹板鋼束張拉之后灌漿之前，此時預應力孔道的存在將會影響腹板處的主拉應力。

（4）混凝土強度等級

而在橋梁實際施工過程中，常常由于各種原因導致施工不規范，混凝土強度并未達到規定的強度等級即進行預應力筋的張拉，導致出現受拉或者受壓裂縫。

3有限元模分析

3.1工程背景

本文以某預應力混凝土連續剛構橋為背景依托展開分析。上部結構采用62m+110m+62m連續箱梁，采用掛籃懸臂法施工。主梁采用C50混凝土，橋寬12m。采用單箱單室箱型斷面，其中箱寬650cm。

3.2基于有限元計算結果分析

只張拉腹板豎彎預應力筋時，得到圖1為腹板內部主拉應力云圖，圖2為腹板內部主拉應力矢量圖。

圖1 只張拉腹板預應力束腹板內部主拉應力云圖

圖2只張拉腹板預應力束腹板內部主拉應力矢量圖

由圖2主拉應力矢量圖和圖1腹板縱向預應力束延程附近混凝土的主拉應力值可知，主拉應力的方向大體垂直于腹板豎彎預應力筋的走向，在錨固端附近和豎彎處主拉應力偏大，表1為不同位置處主拉應力最大值。

表1 不同位置處主拉應力值最大值

位置錨固端0.3m范圍內距錨固端1m豎彎處

主拉應力值（MPa）2.510.611.76

由表1可知各個部位的主拉應力值并沒有超過C50混凝土抗拉強度值2.65MPa，但在實際施工中，混凝土，此時的強度只有標準強度的65%[2]，為1.72MPa。很顯然在錨固端處和預應力筋彎曲處主拉應力都已超限。

4 結論及建議

1）腹板縱向預應力筋沿程混凝土的主拉應力方向大致與預應力筋垂直。

2）造成腹板預應力筋方向斜裂縫原因為先張拉腹板縱向預應力，在錨固端和圓弧曲線彎曲處主拉應力超過C50混凝土抗拉強度標準值。

參考文獻

[1] 過鎮海.鋼筋混凝土原理（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2013

[2] 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答 [M].北京：機械工業出版社，2009

[3] 樓鐵炯.無粘結預應力梁的有限元建模與性能分析研究 [D].浙江大學博士學位論文，2005

[4] 周奧，大跨預應力混凝土連續剛構橋施工裂縫成因分析 [D]，西南交通大學碩士學位論文，2013