鋼板組合梁負彎矩區現澆段混凝土底面裂縫成因分析

唐 堅 蘇慶田，* 季云峰 倪 迪

（1.同濟大學橋梁工程系，上海200092；2.臺州市交通投資集團有限公司，臺州318000）

0 引 言

簡支鋼-混凝土組合梁的混凝土受壓，鋼結構受拉，可充分利用鋼與混凝土的材料特性，與同等跨徑混凝土橋相比，其材料利用率高，具有較高經濟性［1］。為適當增大其適用跨徑，鋼-混組合梁橋也常應用于連續梁結構，此時負彎矩區混凝土受拉，混凝土便容易開裂，影響結構的長期使用性能，相關研究提出了適合組合橋面板負彎矩區混凝土裂縫寬度計算方法［2］。針對組合梁負彎矩區混凝土開裂問題，目前常采用支點頂升、張拉預應力筋、中間支座處梁體頂升與回落、改變混凝土的澆筑順序以及增加臨時壓重等措施使得負彎矩區混凝土儲備一定的壓應力［3-5］。在負彎矩作用下，混凝土板頂面首先出現最大拉應力，因此目前針對混凝土負彎矩開裂的措施從原理上分析均是防止混凝土頂面在使用階段出現裂縫。研究表明，在水化熱、環境氣溫變化，以及由澆筑順序導致的收縮差異等因素的綜合影響下，混凝土亦會在施工階段出現早期裂縫［6-8］。在自然條件下，因混凝土導熱性能較差，在鋼-混組合橋的混凝土板內存在較大溫差梯度［9-10］。外部對流換熱系數、鋪裝層熱導率和混凝土板熱導率等因素均會影響截面溫度的變化，有學者提出采用數值方法來預測組合梁中混凝土的實際溫度變化［11-12］。對于鋼-混組合橋，美國AASHTO（1994 版）根據環境差異規定了不同的豎向溫度梯度，而我國現行標準尚未考慮這一因素［13-14］。

本文以一在建5×35 m 鋼板組合梁橋為背景，針對其在施工階段負彎矩區現澆段混凝土板底面出現的裂縫，采用ANSYS 軟件建立全橋模型分析裂縫產生的原因。通過計算整體升溫、溫度梯度、混凝土均勻收縮、不均勻收縮下混凝土板的應力情況，分析上述荷載效應對混凝土產生裂縫的作用程度，并提出了預防性的措施，可為今后同類型橋梁在施工階段的裂縫控制提供借鑒與參考。

1 工程背景

背景工程為5×35 m 跨徑的雙幅八主梁鋼板組合梁，上部橋面板以預制為主，橫向全幅范圍內設四塊預制橋面板，墩頂受拉力較大區域采用現澆橋面板，預制橋面板縱橫向通過濕接縫連成整體，在中墩兩側各4.25 m 長度范圍內澆筑微膨脹纖維混凝土，纖維采用聚丙烯纖維，摻量為0.8～1.2 kg/m3，現澆段混凝土橋面板厚度由250 mm變化至350 mm。鋼主梁采用I形，鋼主梁高1 650 mm，上下翼緣均等寬，分別為600 mm 和650 mm，上翼緣厚度為20～34 mm，下翼緣厚度為25～56 mm，腹板厚度為16～18 mm，具體布置如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁橋標準布置圖（單位：mm）Fig.1 Standard layout of steel plate composite bridge（Unit：mm）

2 實橋監測結果

2.1 測點布置示意

在其中一個現澆段混凝土板頂面及底面相應位置各布置4 個測點，底面上從邊梁向內依次編號為1#～4#，頂面相應位置編號依次為5#～8#，底面溫度測點現場布置如圖2 所示。預制段測點縱橋向位于跨中，橫橋向位于邊主梁與最靠近邊主梁這兩根鋼梁正中間。

2.2 溫度以及裂縫監測結果

通過對現場進行連續8 天的監測，根據當地歷史氣象數據，取8 個時間測點足以反映日氣溫升降變化規律，因此每天分8 個時間點（0∶00，4∶00，7∶00，10∶00，13∶00，16∶00，19∶00，22∶00）觀測，得到溫度測試結果如圖3 所示。可知在測試時段內環境最高溫度為36.4 ℃，現澆段混凝土橋面板頂面與底面于第5 天出現最大正溫差，為16.4 ℃，預制板頂面與底面最大正溫差為13.1 ℃。現場裂縫監測結果表明，橋面板裂縫多出現于墩頂現澆段的變厚度處，以斜向裂縫為主，且裂縫均出現在橋面板底面，頂面未發現裂縫，其中一個墩頂現澆段如圖4所示。

圖3 溫度測試結果Fig.3 Temperature monitoring results

圖4 負彎矩區現澆段底面裂縫Fig.4 Bottom crack of cast-in-situ concrete in negative moment region

3 效應計算與分析

3.1 計算分析模型

采用通用有限元程序ANSYS 對單幅連續鋼板組合梁橋進行建模分析，鋼板梁采用SHELL181 板殼單元進行模擬，混凝土板采用SOLID95 實體單元模擬。通常情況下，鋼與混凝土之間的滑移對靜力計算結果影響很小，因此本計算中不考慮鋼與混凝土之間的滑移，通過CEINTF 命令在鋼-混凝土交界面建立約束方程，結構材料屬性如表1 所示，邊界條件及有限元模型分別如圖5和圖6所示。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary condition

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

表1 結構材料屬性Table 1 Properties of structural materials

3.2 整體升溫

全橋合龍溫度為15 ℃，環境最高溫為36.4 ℃，取整體升溫21.4 ℃進行計算。因預制板未觀測到裂縫，僅在現澆段底面出現裂縫，因此重點關注底面應力結果，在下文均展示現澆段混凝土底面應力結果。整體升溫荷載作用下混凝土板應力如圖7 所示，混凝土底面縱向均為拉應力，主要分布在0.30～0.80 MPa 之間，第一主應力主要分布在0.23～0.75 MPa 之間，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠離支點的一側，底面縱橋向應力與第一主應力均比其他部位大，分別為0.72 MPa和0.75 MPa。

圖7 整體升溫21.4 ℃現澆段混凝土底面應力（單位：MPa）Fig.7 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under a temperature rise of 21.4 ℃（Unit：MPa）

3.3 梯度溫度

現澆段混凝土梯度升溫16.4 ℃，預制段混凝土梯度升溫13.1 ℃，假設溫度在橋面板厚度方向呈線性變化，根據溫度實測結果，鋼結構溫度與混凝土底面溫度基本一致，計算得到現澆段混凝土底面應力如圖8 所示。現澆段混凝土底面縱向應力除懸臂邊緣小部分區域受壓外，大部分區域受拉，主要分布在1.06～2.78 MPa，第一主應力主要分布在1.80～4.24 MPa，橫橋向跨中靠近中支點區域應力比其他部位大，此區域的縱橋向應力為2.78 MPa，第一主應力為4.24 MPa。

圖8 梯度溫度下現澆段混凝土底面應力（單位：MPa）Fig.8 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under gradient temperature（Unit：MPa）

3.4 均勻收縮

在組合結構橋梁中，混凝土收縮會受鋼梁約束，從而使得混凝土橋面板中產生拉應力，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（TJG D62—2018）［15］計算得到現澆混凝土板的收縮應變為3.32×10-5，預制混凝土板收縮應變為5.72×10-6，混凝土收縮通過降溫實現，給現澆段和預制段混凝土分別降溫3.3 ℃和0.6 ℃，計算得到現澆段混凝土底面應力如圖9 所示。混凝土底面整體受拉，縱向應力主要分布在0.09～0.50 MPa，第一主應力分布在0～0.51 MPa，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠離支點一側的底面縱橋向應力與第一主應力均比其他部位大，分別為0.50 MPa 和0.51 MPa。

圖9 混凝土均勻收縮下現澆段混凝土底面應力（單位：MPa）Fig.9 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under uniform shrinkage of concrete（Unit：MPa）

3.5 不均勻收縮

在實際養護中混凝土板頂面有相對充足的水分，而底部水分較少，且木模板也會吸收底部混凝土中的水分，最終導致混凝土橋面板底部收縮比頂面收縮大，因此考慮混凝土沿厚度方向非均勻收縮。由于目前規范中尚未給出混凝土非均勻收縮模型，本文將規范計算所得收縮量作為混凝土頂面收縮基準值n，將底面收縮量分別取1.5n和2n兩種模式進行計算，并假定混凝土收縮值沿厚度方向呈線性變化，兩種收縮模式下的計算結果如圖10和圖11所示。

圖10 非均勻收縮模式一現澆段混凝土底面應力（單位：MPa）Fig.10 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under non-uniform shrinkage mode 1（Unit：MPa）

圖11 非均勻收縮模式二現澆段混凝土底面應力（單位：MPa）Fig.11 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under non-uniform shrinkage mode 2（Unit：MPa）

在收縮模式一下，混凝土底面的縱橋向應力除懸臂端外基本為拉應力。模式一負彎矩區混凝土底面縱向應力主要分別分布于0.13～0.79 MPa，第一主應力主要分布于0.17～0.96 MPa，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠離支點的一側底面縱橋向應力與第一主應力均比其他部位大，分別為0.79 MPa和0.96 MPa。

在收縮模式二下，混凝土底面的縱橋向應力除懸臂端外基本為拉應力。負彎矩區混凝土底面縱向應力主要分別分布于0.23～1.20 MPa 之間，第一主應力主要分布于0.20～1.56 MPa 之間，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠離支點的一側底面縱橋向應力與第一主應力均比其他部位大，分別為1.20 MPa和1.56 MPa。

4 成因分析與對策

根據現場的實測溫度數據分析，在施工過程中，鋼板組合梁中混凝土板的溫度梯度要高于中國現行規范規定值，在施工地現場溫度梯度作用下，負彎矩區現澆段混凝土主拉應力為4.24 MPa，超過C40 混凝土抗拉強度標準值2.40 MPa，是導致早期裂縫的最主要原因。

結構整體升溫、混凝土板的收縮均會在負彎矩現澆段混凝土底面產生拉應力。整體升溫下該區域第一主拉應力為0.75 MPa，達到C40 混凝土標準抗拉強度的31%；均勻收縮下第一主拉應力為0.51 MPa，達到C40 混凝土標準抗拉強度的21%；假定的非均勻收縮模式一與模式二中，第一主拉應力分別為0.96 MPa 和1.56 MPa，達到C40混凝土標準抗拉強度的40%和65%。由于上述因素不是單一作用在混凝土橋面板中，同時不同程度的發生會使得混凝土板的拉應力進一步超出C40的抗拉強度標準強度，導致裂縫進一步發展。

另外實際結構中的材料質量和施工因素也是不可忽視的重要因素，如混凝土中膨脹劑的效能、混凝土現場澆筑質量、模板拆除時間等都會影響混凝土的早期開裂。

鑒于鋼-混凝土組合結構中鋼與混凝土兩種材料材性的熱傳導系數和線膨脹系數的不同，溫度效應作用下在混凝土中容易產生拉應力，因此在施工過程中要有效控制混凝土的溫度，特別是在混凝土強度較低的早期階段要做好保濕降溫措施。混凝土的收縮是不可避免的，但是不同品質的混凝土其收縮量是不同的，在組合結構中要盡量采用收縮量少的干硬性混凝土，對于泵送混凝土要嚴格控制其澆筑之前的運輸及等待時間。當采用微膨脹混凝土時要從材料源頭進行控制，確保膨脹劑能夠有效準確發揮作用。

5 結 語

本文以某一5×35 m 連續鋼板組合梁背景，對實橋進行監測并使用ANSYS 軟件建立全橋有限元模型，計算分析負彎矩區現澆段混凝土裂縫產生原因。結果表明，混凝土橋面板的溫度梯度效應是導致早期裂縫的最主要原因；環境整體升溫和混凝土收縮效應均會引起混凝土橋面板受拉，它們同時作用導致早期裂縫進一步發展；另外施工及材料方面不可預知的原因也可能導致混凝土開裂。針對鋼-混凝土組合結構橋梁，提出了一些減少混凝土開裂的措施與方法。