大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過程應力分析及防裂技術研究*

喻 釗 胡志堅 吳大健 王少兵

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過程應力分析及防裂技術研究*

喻 釗 胡志堅 吳大健 王少兵

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

為研究大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發展規律和控制方法，結合某大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫實際觀測數據和發展規律，基于有限元理論分析了主梁施工階段施工縫處關鍵區域的應力變化規律，并研究了改變普通鋼筋配置，添加臨時預應力索等裂縫控制措施.結果表明，施工過程中大跨度混凝土斜拉橋主梁節段受力狀況易使施工縫處產生裂縫；在施工階段添加臨時預應力索的防裂效果明顯.

大跨度混凝土斜拉橋；施工模擬；臨時預應力索；防裂技術

0 引 言

主梁裂縫是混凝土斜拉橋的突出病害，裂縫對橋梁的耐久性和營運安全性構成了很大的威脅[1].然而，對斜拉橋在施工階段的力學研究主要集中在2個方面，即確定橋梁合理施工狀態的方法和非線性因素的影響[2-3]，國內外學者關于混凝土斜拉橋主梁施工階段開裂的研究相對較少.陳肇元等[4]較全面地論述了鋼筋混凝土裂縫機理及控制措施.宋廣軍等[5]分析了某斜拉橋橫隔板裂縫產生的原因，并通過改善結構受力提出了加固措施.靳敏超等[6]通過對某斜拉橋索塔既有裂縫的長期觀測，得出了裂縫寬度與溫差之間的相對變化關系，解釋了裂縫隨索塔內外溫差變化這一現象的本質.王如寒等[7]認為某混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫產生的主要原因是混凝土收縮，并提出了預防和控制該類裂縫的方法，但效果并不明顯.宋冰泉等[8]通過在橋面板中設置預應力鋼絞線的方法，消除橋面板中的結構性裂縫.

相對而言，目前缺少針對混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發展規律和控制方法的研究.文中以某大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過程中實際開裂情況為背景，基于有限元理論分析施工階段主梁施工縫處關鍵區域的應力分布，研究大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發展規律和控制方法.并據此對比分析改變梁體鋼筋配置和添加臨時預應力索等防裂措施，為大跨度混凝土斜拉橋主梁設計和施工提供借鑒.

1 工程背景

1.1 橋梁概況

該斜拉橋主橋為雙塔雙索面半漂浮體系，索塔為直立塔柱，主梁采用預應力混凝土箱梁，寬35 m，中心高度2.8 m，采用三跨一聯(128.5 m+310 m+128.5 m)連續結構，見圖1.主梁標準橫斷面半結構圖見圖2.

圖1 主橋總體布置(單位:m)

圖2 主梁標準橫斷面半結構圖(單位:cm)

主橋橋面為雙向6車道，橋面有效寬度31.5 m，橫橋向索距32.5 m，風嘴寬度0.5 m，斜拉索錨固區寬度1.25 m，全橋共4×26對斜拉索.0#節段7.2 m，1#，1’#節段6.4 m，2#～7#，2’#～7’#節段5 m，8#、8’#節段6 m.塔下5個主梁節段(節段號分別為2’#，1’#，0#，1#，2#)共30 m采用支架現澆，主梁其余節段采用前支點掛籃現澆懸臂施工，前支點掛籃節段施工工藝流程：掛籃前移到位后立模→掛索及第一次張拉斜拉索→鋼筋綁扎和預應力管道安裝→混凝土澆筑1/2時第二次張拉斜拉索→澆筑剩余混凝土→梁段預應力張拉→第三次張拉斜拉索→掛籃前移→進入下一梁段施工.

1.2 裂縫觀測

根據現場觀測結果，主梁裂縫主要出現在節段間施工縫處.節段施工縫處裂縫沿施工縫由風嘴向橋梁中心線延伸，延伸長度不等，南塔主梁裂縫觀測結果示意圖見圖3，圖中深色粗線段為裂縫，裂縫最長為565 cm，裂縫寬度最大1.95 mm，各裂縫的長度和寬度如圖3所示.

南塔主梁2#～3#節段施工縫位置裂縫在3#節段混凝土澆筑完成8 h左右開始出現，產生之初表現為橫向收縮裂紋，只出現在箱梁頂面；預應力施工及斜拉索三張完成后，風嘴位置逐漸開始產生；隨著主梁節段向前進行，施工縫位置裂縫基本滯后2個節段出現明顯變化.對部分節段施工縫位置進行取芯檢測發現裂縫貫通，裂縫深度在靠近風嘴位置較深，由風嘴向橋梁中心方向逐漸變淺.

圖3 南塔主梁裂縫觀測結果示意圖(裂縫長度單位：cm，裂縫寬度單位：mm)

2 有限元數值分析

2.1 建模過程

采用通用結構分析程序ANSYS建立南塔及主梁17個節段(8’#～0#～8#)實體模型進行分析計算.建模過程中，主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土，預應力采用515.2計30束、2 215.2計9束和底部1 215.2計2束鋼絞線，斜拉索采用直徑7 mm高強度低松弛鍍鋅平行鋼絲，抗拉強度為1 770 MPa根據索力的不同，采用PES7-139，PES7-163，PES7-199，PES7-283共4種規格.普通鋼筋采用直徑20 mm的HRB335.采用Solid65單元模擬混凝土，采用三維桿單元Link8模擬預應力鋼筋和斜拉索.在滿足計算精度的要求下，主梁的網格大小為50 cm，預應力鋼筋網格大小為100 cm，主塔的網格大小為200 cm.整個模型共有247 271個單元，其中主梁228 449個單元，橋塔13 271個單元，預應力鋼筋5 519個單元.有限元模型見圖4.

圖4 有限元模型

塔梁的連結通過節點位移約束耦合模擬[9].橋塔底端固結，預應力鋼筋與主梁采用節點耦合方式模擬，普通鋼筋采用整體式模型模擬.節段自重采用加速度場模擬，依據實際的施工過程逐步激活并施加重力.掛籃及施工荷載總計3000 kN等效為均布力作用在主梁上.預應力張拉控制應力為1 395 MPa，斜拉索采用設計提供的初拉力，拉力值2 593～5 425 kN.

模型中共分為9個施工階段完成17個節段(8’#～0#～8#)的施工模擬，施工階段一模擬0#塊的施工過程，施工階段二模擬1#及1’#塊施工過程，直到施工階段九模擬8#及8’#塊的施工過程.

2.2 計算結果分析

有限元計算結果顯示較大的正應力集中在節段施工縫位置處，與實際觀測到的裂縫位置基本一致.部分節段施工縫處的正應力分布圖見圖5～6，其中拉應力為正，壓應力為負.圖5所示為5#，6#節段施工縫位置處施工6#節段后的正應力分布圖，圖6為6#，7#節段施工縫位置處施工7#節段后的正應力分布圖.由圖6可知，節段施工縫在下一節段施工完成后，在邊箱實心段下緣產生最大為6 MPa正應力，該拉應力足以使主梁邊箱實心段混凝土開裂.

圖5 階段七5#～6#節段施工縫截面正應力分布圖

圖6 階段八6#～7#節段施工縫截面正應力分布圖

圖7為各施工縫位置處邊箱實心段下緣正應力的橫向分布曲線，其中 “2-3”表示2#節段與3#節段的施工縫處邊箱實心段下緣的正應力橫向分布曲線.由圖7可知2#，3#節段和3#，4#節段施工縫處邊箱實心段下緣拉應力較小，4#，5#節段，5#，6#節段，以及6#，7#節段施工縫處邊箱實心段拉應力逐漸增大.由于該斜拉橋的主梁是變截面的，邊箱實心段由0#節段至8#節段逐漸變小，斜腹板逐漸增長，箱梁底部預應力鋼絞線對實心段混凝土的約束作用逐漸減小，因此，各節段施工縫處邊箱實心段下緣拉應力逐漸增大.

圖7 邊箱實心段下緣正應力橫向分布曲線

為分析各節段施工縫處裂縫的發展規律，選取各節段邊箱實心段下緣中間節點為關鍵點，關鍵點與風嘴的橫向距離為2.85 m，關鍵點位置見圖5.通過分析關鍵點正應力在整個施工階段的變化規律，了解邊箱實心段區域的應力變化規律，以此得到裂縫的發展規律.各節段施工縫處邊箱實心段關鍵點正應力隨施工階段的變化見圖8.

圖8 關鍵點正應力隨施工階段變化曲線

通過對該斜拉橋南塔前17個節段施工過程的模擬分析，分析計算結果可知，施工階段節段施工縫處邊箱實心段下緣會產生較大的橋梁縱向(X方向)正應力.在節段施工過程中，施工縫處邊箱實心段在本節段施工時正應力較小，隨著下一個節段的施工，正應力增大，邊箱實心段混凝土受拉，混凝土主梁邊箱實心段產生裂縫，隨著后續節段的施工和后續節段斜拉索的張拉，斜拉索的水平分力提供主梁的壓應力，邊箱實心段正應力下降，邊箱實心段混凝土受壓，裂縫最終可以自行閉合.

2.3 普通鋼筋影響

對有限元模型添加0.5%，1%，2%，3% 4種普通鋼筋配筋率計算.選取普通鋼筋配筋率為3%時，施工階段八6#，7#節段施工縫位置處的正應力分布圖見圖9，對比圖6可知，普通鋼筋配筋率為3%時，節段施工縫位置處的正應力有所下降，但拉應力依然較大，達到5 MPa.

圖9 3%HRB335時階段八6#～7#塊的施工縫截面正應力分布圖

同時，可以得到不同配筋率時關鍵點正應力隨施工階段變化曲線，選取普通鋼筋配筋率3%時關鍵點正應力隨施工階段變化曲線，見圖10，對比圖8可知，關鍵點處正應力隨施工階段的變化趨勢不變，邊箱實心段混凝土在各施工階段的正應力數值均有下降，但下降數值較小，邊箱實心段混凝土處依然存在較大正應力.

圖10 3%HRB335時關鍵點正應力隨施工階段變化曲線

各施工縫處關鍵點在施工過程中最大正應力隨配筋率的變化曲線見圖11.由圖11可見，隨著配筋率的增加，各施工縫處關鍵點在施工過程中最大正應力呈線性緩慢下降，當普通鋼筋配筋率增加到3%時，各施工縫處關鍵點在施工過程中依然出現最大超過4 MPa的正應力，因此普通鋼筋對于控制裂縫的產生和發展效果不明顯.

圖11 關鍵點最大正應力隨配筋率的變化曲線

結合裂縫實際觀測結果和有限元分析結果可知，大跨度混凝土斜拉橋在主梁施工過程中節段施工縫處易產生裂縫，主要表現為貫穿性裂縫，是由于風嘴和邊箱實心段位置處預應力不足造成的，因此，需考慮一定的措施，避免主梁施工階段節段施工縫處邊箱實心段產生裂縫，防止施工階段裂縫對橋梁的承載力和耐久性造成不利影響.

3 防裂措施

由圖7可知，箱梁底部預應力鋼絞線對實心段混凝土的約束作用逐漸減小，各節段施工縫處邊箱實心段下緣拉應力逐漸增大，因此，考慮在實心段混凝土區域添加臨時預應力索的方法控制施工階段拉應力的出現.又由圖8可知，節段施工縫處最大拉應力出現在下一節段施工時，因此，為保證防裂效果，考慮在2種不同施工階段各添加6束1215.2臨時預應力索：在下一節段施工時在關鍵點區域添加臨時預應力索(晚一節段添加)，在本節段施工時在關鍵點區域添加臨時預應力索(本節段添加).圖12為2束臨時預應力索位置，與風嘴的橫向距離分別為2.7 m和3 m，混凝土保護層厚度15 cm.

圖12 臨時預應力索位置

晚一節段添加臨時索時，施工縫關鍵點正應力隨施工階段變化曲線見圖13.由圖13可知在下一節段施工時添加臨時預應力索，關鍵點處最大正應力依然超過2 MPa，不能完全消除裂縫.

圖13 關鍵點正應力隨施工階段變化曲線

本節段添加臨時索時，施工階段八6#～7#節段施工縫位置處的正應力分布圖見圖14.對比圖6可知，節段施工縫處的正應力大幅下降，實心段下緣基本受壓.此時關鍵點正應力隨施工階段變化曲線見圖15，施工縫截面關鍵點在主梁施工階段全過程受壓，避免了節段施工縫位置處裂縫的產生，防裂效果顯著.

圖14 階段八6#～7#節段施工縫正應力分布圖

圖15 工況二關鍵點正應力隨施工階段變化曲線

因此，在施工階段，可采取在本節段施工時添加臨時預應力索的措施防止主梁施工縫處開裂.

4 結 論

1) 由應力分析結果可知，大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁施工縫處易產生裂縫，隨著施工的進行，相應開裂區域的拉應力逐步下降，裂縫不再繼續開展.

2) 對于大跨度混凝土斜拉橋，需考慮施工階段梁體防裂措施，包括增加縱向鋼筋或縱向預應力束，加強節段施工縫位置處的連接，防止節段施工縫處裂縫的產生.

3) 相對于晚一節段增加臨時預應力索，在本節段施工時增加臨時預應力索能更有效防止施工階段主梁節段施工縫處開裂.

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Study of Stress and Cracking Prevention Techniques for Main Girder of Long-span Concrete Cable-stayed Bridges at Construction Stages

YU Zhao HU Zhijian WU Dajian WANG Shaobing

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To study the crack development and the corresponding control methods for main girder of long-span concrete cable-stayed bridge at construction stages, numerical simulations are carried out to analyze constructional stress distribution in critical segmental joints of the main girder and the numerical results are compared to the field measurements of cracks and their development for a long span concrete cable-stayed bridge. Cracking prevention techniques, including changing reinforcement ratios and adding temporary prestressed strands, are also investigated. The numerical results indicate that the constructional stress distribution for the main girders of long span concrete cable-stayed bridges can easily lead to cracking at the segmental joints, and that crack prevention effect from adding temporary prestressed strands is remarkable at construction stages.

long-span concrete cable-stayed bridge; construction simulation; temporary prestressed strands cracking prevention techniques

2016-10-16

*江西省科技支撐計劃項目(20132BBG70107)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(2013-IV-016)資助

U448.27

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.026

喻釗(1991—)：男，碩士生，主要研究領域為道路與橋梁工程