預應力混凝土連續箱梁后澆段裂縫成因分析及三維有限元模擬

張春雷

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

預應力混凝土連續箱梁后澆段裂縫成因分析及三維有限元模擬

張春雷

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

采用分段澆注施工的預應力混凝土梁后澆段，由于受力情況復雜，在使用過程中出現開裂現象。針對裂縫病害產生的原因，提出從設計、施工和運營三個方面分析開裂原因的方法，并以一座采用分段澆筑施工的三跨連續梁為例進行分析。通過建立三維實體單元模型模擬該連續梁，分析發現，后澆段配束方案可能是導致該區域開裂的原因，施工過程中支架對結構的作用也可能導致該結構底板出現裂縫，而運營過程中的超載對結構影響較小。

混凝土連續梁；分段澆筑；混凝土開裂；實體單元；有限元分析

0 引言

預應力混凝土橋梁在預應力作用下混凝土處于受壓狀態，被認為具有良好的耐久性，已建的眾多預應力混凝土橋梁已安全服役多年。然而，國內亦有關于預應力混凝土連續梁出現裂縫等病害的報道[1]。

混凝土橋梁開裂后，截面發生削弱，空氣中的水分和二氧化碳更容易侵入混凝土內部從而引起鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕膨脹又加劇了裂縫開裂程度。這些共同導致了構件承載能力和使用性能的降低[2]。因此，分析預應力混凝土連續梁開裂原因，對病害處理及結構構件維護，甚至指導設計都具有重要意義。研究人員和工程設計人員在這方面做了較多工作[3-9]。然而，已有的研究主要關注于諸如大跨徑的寬翼緣薄腹板箱梁等空間受力復雜的結構形式[10]，而對于較為常見的采用分段澆注的混凝土箱梁后澆段裂縫問題，現有的研究還較少。

本文將針對預應力混凝土連續箱梁中較為常見的后澆段裂縫進行分析，從設計、施工和運營各個階段分析裂縫產生的原因，并通過建立三維有限元模型的方法對其進行分析驗證。

1 現澆連續梁分段澆筑施工方法及病害診斷

對于多跨現澆連續梁，當跨徑較大或者跨數較多時，考慮到混凝土澆注和振搗的便利性，一般采取分段澆注再合攏的施工方法。這種施工方法可以減少大體量混凝土澆注產生的水化熱導致的裂縫，提高施工效率和施工質量。然而，由于合攏段處存在新老混凝土交界面，不同齡期和不同應力歷史的混凝土在此處交界，預應力鋼束也經常設計為在該界面上錨固，從而導致該局部區域混凝土受力情況復雜，準確分析其受力狀態比較困難。分析已建的該類型橋梁可以發現，施工完成和服役若干年后在后澆段處經常發現局部開裂，嚴重影響了結構使用性能，有些甚至危害到橋梁承載能力。如圖1所示，某三跨連續梁后澆段附近箱梁底板裂縫分布情況，在后澆段邊跨側底板存在4條斜裂縫①～④。

圖1 連續箱梁后澆段底板裂縫分布（單位：cm）

學者們針對裂縫成因分析，提出了多種病害診斷方法。本文提出可以從橋梁建造過程考慮，通過設計、施工和運營情況三個方面對裂縫成因進行診斷分析。

設計方面，為了預應力鋼束張拉的便利性，設計方案中往往將鋼束在混凝土交界面處錨固，沒有或只有少量鋼束通過后澆段。雖然后澆段一般位于結構恒載彎矩較小的位置，但由于結構形式不同，承受的荷載各異，該區域受力情況一般比較復雜。若設計不當，可能產生局部區域混凝土受拉較大的情況，從而導致裂縫的產生。上文中提到的三跨連續梁鋼束布置如圖2所示。從圖中可以發現，腹板束全部在交界面錨固，只有較短的底板束穿過后澆段。由于該局部區域結構受力復雜，簡單的梁單元模型不能很好地反映其真實受力情況，采取三維實體單元模型分析其局部受力狀況也就顯得尤為必要。

圖2 連續箱梁后澆段鋼束布置圖（單位：cm）

施工方面，國內對于現澆混凝土梁通常采用滿堂支架施工方法。由于橋址處地質情況復雜，一般對施工支架剛度要求較高。通常的做法是對支架進行預壓，以消除支架沉降的影響。此外，分段澆筑混凝土一般也采用分段、分批張拉預應力，在支架上張拉預應力會導致結構產生較為明顯的變形，而剛性支架對結構變形也會產生作用。支架沉降和支架阻止結構變形等均會對結構受力產生影響，這些也可能是混凝土現澆梁產生裂縫的原因。運營階段，已有的研究報告指出，交通量及交通荷載隨著時間的增長有了較大規模的增長，尤其是重載車輛和超載車輛的增多，對橋梁結構產生了較大影響。國內經常有超載車輛導致橋梁結構受損和毀壞的報道，因此分析超載對結構的影響對于探尋結構開裂的成因也是一種有益的嘗試。

下面將以上文提到的采用分段澆注施工的三跨連續梁為例，通過建立三維實體有限元模型，從設計、施工和運營三個方面分析后澆段裂縫產生的原因，從而給出分析該類型橋梁裂縫成因的一種方法。

2 實例分析

本文選取的實例為一跨徑組合為30.463 m+2× 32 m+30 m的預應力混凝土等截面連續箱梁，橫斷面為單箱單室結構，箱梁梁高2 m，底寬5 m，頂寬9.5 m。箱梁斷面形式如圖3所示。

圖3 箱梁跨中斷面圖（單位：cm）

該連續梁采取滿堂支架分段澆注施工方法，主要施工流程為分別澆筑邊跨和中跨，張拉部分預應力，然后澆筑合攏段并張拉剩余預應力鋼束，最后進行橋面鋪裝。根據上文所述，該橋在服役若干年后在后澆段區域底板表面發現了斜向裂縫。為了分析該裂縫產生的原因，分別建立梁單元和實體單元有限元模型分析其受力情況。

2.1 梁單元分析

采用橋梁博士軟件建立單梁模型分析該聯橋梁施工過程及使用階段應力。有限元模型如圖4所示。考慮分段澆注、后澆段合攏的施工過程。持久狀況正常使用極限狀態下的抗裂驗算如圖5所示。由圖可見，該橋抗裂驗算滿足規范要求。單梁模型通過有限元分析得到梁端內力，再由平截面假定得到截面上下緣應力，無法模擬結構構件的三維受力狀態，為實現該目的，需對該結構建立三維實體模型進行分析。

圖4 梁單元分析有限元模型

圖5 持久狀態正常使用極限狀態主梁正應力及主應力（單位：MPa）

2.2 實體單元分析

采用三維有限元分析軟件建立該結構的三維數值模型，為了考慮錨固區對結構受力的影響，在整體模型中建立了錨固齒塊，同時模擬了結構的實際施工過程。為便于描述，將Pm01～Pm02跨現澆濕接段靠近邊跨側區域記為區域A，將靠近中跨側區域記為區域B，如圖6所示。

圖6 實體單元有限元模型區域A和區域B示意

根據其施工過程建立施工階段如下：第一階段（CS1），支架現澆三段箱梁，張拉對應的預應力鋼束；第二階段（CS2），支架澆筑2 m長的現澆段，張拉剩余預應力鋼束；第三階段（CS3），施工橋面鋪裝和防撞護欄；第四階段（CS4），徐變收縮3 a；第五階段（CS5）,施加公路－Ⅰ級對應的車輛荷載。下文的應力分析均選取CS5階段的結構應力。

對于施工階段CS1，邊跨現澆段采用彈性支撐，支撐剛度根據滿堂支架剛度估算,中跨現澆段采用梁底墊塊處施加支撐約束。后澆段澆注連成整體后（CS2～CS5）則在梁底墊塊處施加成橋支撐約束。

根據實際情況對結構施加一期和二期恒載，而對于汽車荷載，則根據區域A縱向彎矩影響線施加車輛荷載，即在第一跨和第三跨施加規范中的車輛荷載，荷載施加如圖7所示。

圖7 汽車荷載分布示意

區域A底板順橋向正應力如圖8所示。由圖可見，該區域順橋向基本處于受壓狀態，與整體計算結果基本一致。區域A底板橫橋向正應力如圖9所示。由圖可見，A區段邊緣，存在3.4 MPa的橫向拉應力。其原因是在CS1階段，A區段該斷面腹板錨固了較多預應力鋼束，此斷面混凝土預加壓縮應力不均勻，在底板橫橋向淺表區域產生橫向拉應力（類似拉桿撐桿體系）。

圖8 區域A底板順橋向正應力（單位：MPa）

圖9 區域A底板橫橋向正應力（單位：MPa）

區域A底板XY面內剪應力如圖10所示。由圖可見，由于腹板預應力束未采取連續通過布置，在該截面附近腹板束與底板束交差錨固，僅依靠底板混凝土進行傳力過渡，該區域底板產生了2.0 MPa的剪應力。區域A底板主拉應力如圖11所示（箭頭所示為主拉應力方向）。由圖可見，由于預應力張拉引起的底板剪應力及拉應力的存在，在底板產生一定的主拉應力，其中底板45°的斜向主拉應力約2.2 MPa，與現場斜向裂縫方向一致，可能是該斜向裂縫產生的主要原因。

圖10 區域A底板XY面內剪應力（單位：MPa）

圖11 區域A底板主拉應力（單位：MPa）

對比區域A，區域B主拉應力如圖12所示（箭頭所示為主拉應力方向）。由圖可知，B區域由于底板鋼束連續性較好，傳力較均勻，引起的底板主拉應力較小，底板45°的斜向主拉應力約在1.0 MPa左右。同樣地，在區域B混凝土底板也未發現類似的斜向裂縫。

2.3 討論

采用分段澆注施工方法的混凝土連續梁后澆段一般位于結構彎矩較小的位置，但該區域剪力并不小，根據應力互等定理，腹板承受的剪應力對應于底板的面內剪應力。這些都對引起底板開裂的主拉應力做出了貢獻。分析該聯混凝土梁配束可以發現，腹板束在后澆段交界面上全部截斷進行錨固，底板束對抗剪貢獻又很小，這就導致了結構剪力大部分由混凝土傳遞，也就是說，設計上配束方案可能導致了該區域底板斜向裂縫的產生。

3 支架及超載對結構影響分析

如上文所述，施工階段的支架對結構受力也會產生影響。根據上述實體分析結果可以發現，首批預應力張拉后，邊跨在支架上起拱，區域A梁端下撓，大部分區段支架脫離，但A區段梁端支架局部受力（承受絕大部分箱梁自重）。該區域受力復雜，當支架支持在中箱梁底板中部時將產生較大的底板局部變形（見圖13）與受力。這也可能是導致現澆段附近出現裂縫的部分原因。

圖13 CS1階段區域A箱梁變形（單位：mm）

為分析運營階段汽車超載對該區域結構安全的影響，采用1.5倍汽車荷載工況對該區域進行最不利加載分析，并與正常使用階段（CS5）進行比較。圖14為主拉應力對比分析結果。從圖可以看出，該區域主拉應力主要由預應力張拉等施工過程引起，活載超載引起區域A底板斜向主拉應力增加較小。

圖14 活載作用下區域A底板主拉應力（單位：MPa）

4 結論

本文從設計、施工和運營三個方面討論了分段澆注混凝土箱梁后澆段裂縫產生的原因，對一座三跨連續梁通過建立實體有限元模型分析了設計配束方案、施工支架和超載對結構受力的影響，探究了該橋后澆段區域底板斜裂縫產生的原因，主要結論如下：

（1）對于采取分段澆注施工的混凝土連續梁，腹板束在后澆段斷開使得傳力途徑中斷，可能是導致結構開裂的原因，在設計該類型橋梁時，建議腹板束連續通過后澆段；

（2）施工階段的支架對結構變形的作用也可能導致結構開裂，對于本文分析的橋梁，運營階段的超載對該區域應力影響較小；

（3）本文提出的從設計、施工和運營三個階段分析結構開裂原因的方法能夠比較全面地分析結構受力狀態，結合三維有限元模型分析可以更直觀地展現結構實際的應力狀態。

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U445.7+1

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1009-7716（2016）05-0099-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.027

2016-02-18

張春雷（1987-），男，山東莒縣人，博士，工程師，從事橋梁設計工作。