預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)寬橋端腹板豎向裂縫成因分析

■ 劉學(xué)強(qiáng)

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司， 福州 350108）

1 引言

近年來，國內(nèi)各大中城市的基礎(chǔ)設(shè)施涌現(xiàn)出大量城市高架橋的建設(shè)，出于景觀效果及橋下凈空要求，橋梁大部分采用現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，同時工期要求緊張，高架橋的預(yù)應(yīng)力張拉方式選擇會嚴(yán)重影響工期。 因此，橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時，往往會考慮腹板索在梁端的地方頂板開槽上翹張拉[1]。 這種類型的索型張拉方式在梁端下緣存在預(yù)應(yīng)力空白區(qū)，導(dǎo)致梁端腹板下緣預(yù)應(yīng)力富余較少，對于寬橋的空間效應(yīng)影響更大。 施工過程中，沒有注意養(yǎng)護(hù)，水化熱和腹板內(nèi)外收縮差產(chǎn)生較大的表面拉應(yīng)力，最終在梁端產(chǎn)生腹板豎向裂縫的問題。

目前，國內(nèi)很多學(xué)者針對此類預(yù)應(yīng)力張拉索型的橋梁且已出現(xiàn)豎向裂縫的問題進(jìn)行了大量的研究分析[2-5]，認(rèn)為梁端邊腹板外側(cè)預(yù)應(yīng)力度的不足使得這一區(qū)域成為類似普通鋼筋混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)，梁端較厚的腹板加劇了水化熱和收縮，當(dāng)拉應(yīng)力超過當(dāng)時混凝土的抗拉強(qiáng)度時，就形成了腹板豎向裂縫，基于這種背景，提出了本文的研究課題。

2 工程背景

本項(xiàng)目左幅橋Z17～Z19 聯(lián)箱梁跨徑為2×38 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。 單箱四室截面，梁高2 m，標(biāo)準(zhǔn)段箱梁頂板寬24.5 m，研究中模型均按等寬箱梁進(jìn)行驗(yàn)算。 箱底寬18.5 m，懸臂長2.5 m。 頂板厚25 cm，底板厚25 cm，邊腹板厚45～85 cm，中腹板厚45～105 cm，跨中設(shè)置一道30 cm 厚隔板，中支點(diǎn)設(shè)2 m 厚橫梁，端支點(diǎn)設(shè)1.5 m 厚橫梁。 箱梁按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)。 腹板索采用Φs15.2-19 的鋼束， 在梁端頂板開槽張拉， 底板短索采用Φs15.2-12 的鋼束，頂板短索采用Φs15.2-9 的鋼束，具體預(yù)應(yīng)力鋼束布置詳見圖1～3。

圖1 腹板索張拉立面圖（單位：cm）

圖2 頂、底索張拉立面圖（單位：cm）

圖3 箱梁預(yù)應(yīng)力索橫斷面圖（單位：cm）

項(xiàng)目中已澆筑完成的箱梁每聯(lián)特定位置出現(xiàn)一定程度的開裂，根據(jù)橋梁外觀裂縫記錄資料，橋梁箱梁多處外腹板發(fā)生裂縫，裂縫位置、形態(tài)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。 裂縫性質(zhì)形狀（圖4）及分布特點(diǎn)如下：

（1）箱梁裂縫均以豎向裂縫為主；

（2）裂縫出現(xiàn)位置為各聯(lián)距梁端2～6 m 范圍；

（3） 裂縫僅出現(xiàn)在箱梁邊腹板外側(cè)及底板外側(cè)，中幅板及邊腹板內(nèi)側(cè)未見裂縫；

（4） 單條腹板裂縫長度為0.46～1.01 m， 寬度0.06～0.30 mm；單條底板裂縫長度為0～2.1 m，裂縫寬度0.08～0.23 mm。

圖4 裂縫性狀示意圖

3 平面桿系模型分析

3.1 平面桿系模型建立

以主線左幅橋Z17～Z19 聯(lián)箱梁跨徑2×38 m 為例， 通過建立全橋空間Midas 模型進(jìn)行計(jì)算分析，總共劃分76 個梁單元，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 全橋空間計(jì)算模型

3.2 平面桿系模型計(jì)算結(jié)果

（1）正截面抗裂驗(yàn)算

箱梁出現(xiàn)的均為外腹板外側(cè)豎向裂縫及底板橫向裂縫，出現(xiàn)裂縫的位置均位于距離梁端2～6 m區(qū)段（以下簡稱重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段），因此重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)段內(nèi)箱梁下緣正截面應(yīng)力情況，使用階段正截面抗裂驗(yàn)算（頻遇）包絡(luò)圖見圖6。

A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用（荷載）頻遇效應(yīng)組合下，應(yīng)符合下列條件[6]：

圖6 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算（頻遇）包絡(luò)圖

A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用（荷載）準(zhǔn)永久效應(yīng)組合下，應(yīng)符合下列條件：

重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段下緣最不利應(yīng)力情況：

底緣σst-σpc=-0.130 MPa (壓應(yīng)力)≤0.7ftk=1.855 MPa(拉應(yīng)力)，滿足規(guī)范要求。

（2）斜截面抗裂驗(yàn)算

使用階段腹板斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖見圖7。

圖7 使用階段腹板斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，應(yīng)符合下列條件：

現(xiàn)場澆筑（包括預(yù)制拼裝）構(gòu)件：σtp≤0.5ftk

σtp=0.900 MPa(拉應(yīng)力)≤0.5ftk=1.325 MPa(拉應(yīng)力)，滿足規(guī)范要求。

由平面桿系計(jì)算結(jié)果可知，箱梁結(jié)構(gòu)總體安全性能滿足規(guī)范要求。 針對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段下緣正截面抗裂性能， 頻遇組合下緣最不利應(yīng)力為-0.13 MPa壓應(yīng)力（限值為1.86 MPa 拉應(yīng)力）；準(zhǔn)永久組合下緣最不利應(yīng)力為-0.43 MPa 壓應(yīng)力（限值為0，不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力）。

4 空間實(shí)體模型分析

4.1 空間實(shí)體模型建立

平面桿系模型為常規(guī)縱向整體分析，傳統(tǒng)的平面計(jì)算方法無法真實(shí)模擬預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的空間受力，因此為了研究常見荷載或作用對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋受力的影響，克服平面計(jì)算方法的缺陷[7]，為體現(xiàn)箱梁的局部應(yīng)力問題，進(jìn)一步確定重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段產(chǎn)生裂縫的原因，分析箱梁各腹板局部應(yīng)力差異等，采用Midas FEA 建立典型聯(lián)箱梁的空間有限元實(shí)體模型，分別見圖8～9。

圖8 實(shí)體模型頂視圖

圖9 重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段局部視圖

4.2 空間實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果

本文僅示部分重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段的計(jì)算結(jié)果，空間實(shí)體模型應(yīng)力計(jì)算圖分別見圖10～13。

（1）恒載及預(yù)應(yīng)力作用下應(yīng)力情況（圖10～11）

圖10 恒載+預(yù)應(yīng)力作用應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖11 恒載+預(yù)應(yīng)力作用應(yīng)力圖（單位：MPa，腹板內(nèi)外局部）

（2）箱室內(nèi)外側(cè)溫差應(yīng)力情況（圖12～13）

圖12 箱室內(nèi)外溫差應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖13 箱室內(nèi)外溫差應(yīng)力圖（單位：MPa，腹板內(nèi)外局部）

4.3 主要分析結(jié)論

（1）在恒載加預(yù)應(yīng)力工況下，邊、中腹板腹板位置局部最大應(yīng)力差達(dá)1.2 MPa， 底板位置局部最大應(yīng)力差達(dá)1.0 MPa； 邊腹板內(nèi)外側(cè)局部最大應(yīng)力差可達(dá)1.0 MPa，中腹板兩側(cè)應(yīng)力水平相當(dāng)。

（2）在箱室內(nèi)外側(cè)溫差工況下，邊腹板外側(cè)拉應(yīng)力可達(dá)0.9～1.2 MPa， 底板拉應(yīng)力可達(dá)0.3～2.5 MPa，且邊、中腹板及各腹板兩側(cè)呈現(xiàn)出較大的差異性。

5 裂縫成因分析及結(jié)論

5.1 空間模型與平面桿系模型差異

為了探討裂縫產(chǎn)生原因， 本次驗(yàn)算除了采用常規(guī)平面桿系模型外， 還對箱梁進(jìn)行空間有限元分析。

（1）分析結(jié)果表明，在恒載及預(yù)應(yīng)力作用下，箱梁內(nèi)、外腹板受力存在較大偏差，其中外腹板比中腹板應(yīng)力差在1.2 MPa 左右，導(dǎo)致邊腹板的安全儲備降低，但這種不均衡性不影響整體結(jié)構(gòu)安全。

（2）開裂區(qū)域附近，在箱梁內(nèi)外溫差作用下，邊腹板混凝土表面自約束最大拉應(yīng)力為1.93 MPa，自約束應(yīng)力為自平衡力，僅會導(dǎo)致局部表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，不產(chǎn)生縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)力，不影響結(jié)構(gòu)安全。

5.2 施工工藝等其他因素

（1）箱梁腹板預(yù)應(yīng)力索采用頂板開槽錨固雖然便于施工，但該配索方式導(dǎo)致大量腹板索上彎錨固至梁頂，造成腹板索上彎區(qū)域（距離邊支點(diǎn)4～6 m處）截面下緣富余壓應(yīng)力水平降低，安全儲備減少。

（2）開裂區(qū)域腹板縱向普通鋼筋配筋較少，抗裂性能較弱。

（3）若施工過程中，出現(xiàn)較大支架非彈性變形、混凝土養(yǎng)護(hù)不規(guī)范等情況，會進(jìn)一步加大箱梁局部開裂的風(fēng)險。

5.3 結(jié)論

針對該主線寬橋裂縫出現(xiàn)的位置及原因分析，該工程箱梁結(jié)構(gòu)總體安全性能滿足要求；箱梁開裂原因是局部受力問題，是在結(jié)構(gòu)易開裂區(qū)段，疊加上局部受力不均衡、溫度效應(yīng)及可能出現(xiàn)的施工不利因素等共同作用下產(chǎn)生的。

6 建議

針對已開裂的梁體，應(yīng)委托有關(guān)單位進(jìn)行專項(xiàng)加固設(shè)計(jì)；對于未施工的梁體，針對薄弱環(huán)節(jié)加大安全儲備設(shè)計(jì)，可采取裂縫防治措施：

（1）預(yù)應(yīng)力腹板索頂板開槽張拉方式可以優(yōu)化為梁端大槽口張拉方式，避免了梁端下緣存在預(yù)應(yīng)力空白區(qū)。

（2）取消底板索（張拉端距梁端4～6 m），增設(shè)底板短索（穿過梁端下緣錨固于梁端），加強(qiáng)了梁端下緣預(yù)應(yīng)力空白區(qū)預(yù)應(yīng)力的富余。

（3）增設(shè)外邊腹板縱向鋼筋，加強(qiáng)外邊腹板普通鋼筋抗拉截面面積。

通過采取優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束索型、加強(qiáng)箱梁腹板構(gòu)造鋼筋設(shè)置等方法，提高結(jié)構(gòu)抗裂性能，降低開裂風(fēng)險。