預應力混凝土空心板梁底板縱向裂縫成因分析與防治措施

馬書強

（中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

眾所周知，預應力簡支空心板梁具有結構簡單、施工方便、吊裝重量輕、經濟等優(yōu)點，成為公路、城市橋梁中最為常見的結構形式之一。由于混凝土自身的特性決定其抗拉強度遠遠低于抗壓強度，混凝土結構出現(xiàn)裂縫是常見的。目前大量預應力混凝土空心板梁均存在底板縱向開裂的現(xiàn)象，裂縫多出現(xiàn)在沿底板布置預應力筋位置或空心板底板最薄弱處(如底板與腹板交接位置)。寬幅空心板梁為薄壁結構，一旦出現(xiàn)裂縫容易貫穿板厚，對結構的耐久性、受力狀態(tài)都有不可忽視的影響。如開裂后梁體扭轉剛度明顯降低，使得主梁橫向連接剛度明顯減弱，荷載橫向分布系數(shù)增大。影響的程度根據(jù)縱向裂縫開展的寬度、深度而各不相同。本文工程中，預應力空心板梁在預制養(yǎng)生階段底板出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，故初步分析認為縱向裂縫很可能與設計、施工質量有關。

1 工程概況

1.1 結構形式及病害簡介

工程結構，裝配式先張法預應力混凝土簡支變截面空心板梁，跨徑為20m，板寬165.8cm，跨中截面：梁高80cm，底板、頂板、腹板厚均為10cm，內室總寬145.8cm。端部截面：梁高由80cm漸變?yōu)?0cm，底板厚度漸變?yōu)?0cm，漸變段長100cm。橫向連接采用小鉸縫，邊板外側無翼板。底板布置三束預應力，預應力鋼絞線采用高強度低松馳鋼絞線，強度為Ry'=1860Mpa,Ey=1.95×105Mpa。中板梁截面尺寸如圖1所示：

圖1 中板梁截面尺寸(單位：cm)

預制空心板梁存在多處裂縫，縱向裂縫為最多，縱向縫基本處在預應力束管道位置，最長的有近16m，裂縫寬度主要集中在0.10至0.54mm之間，局部寬度在2mm左右；同時存在橫向裂縫和不規(guī)則裂縫，橫向裂縫處在跨中和支點附近，裂縫寬度從0.05至0.20mm不等。

1.2 施工工藝及施工環(huán)境

準備好經校驗的張拉機具，使千斤頂?shù)膹埨ψ饔镁€與鋼絞線的軸線重合一致。鋼絞線放置在錨固端，置于砼平臺上，并用鋼筋架起，防止鋼絞線下垂。放置預應力失效隔離套管，等張拉完畢后，定位套管?，F(xiàn)場施工采取預應力鋼絞線整體同時張拉，調整使鋼絞線初應力相同。張拉程序0-初應力-σ(持荷2min)。在混凝土拌制過程中，對混凝土坍落度隨時進行檢查，以保證混凝土和易性，拌制時間一般控制在1.5min左右，使用外加劑應適當增加攪拌時間。預制空心板梁混凝土澆筑分二次進行。首先澆筑底板，然后安裝內膜，進行腹板和頂板澆筑?；炷翝仓戤叧跄螅寐榇采w；終凝后再灑水養(yǎng)護。保持混凝土面經常處于濕潤狀態(tài)，并連續(xù)養(yǎng)護7d。根據(jù)設計圖紙要求，當試塊強度達到設計強度的90%以后，方可進行放張。

經核實，發(fā)生開裂的預應力混凝土空心板的施工方法、養(yǎng)護條件、存放吊裝過程均按照規(guī)范要求施工，其施工記錄中并無特殊之處。而開裂的空心板梁施工時間多為夏季高溫時期。由施工經驗得知：夏季預制預應力空心板的預拱度明顯比其他季節(jié)預制預應力空心板的預拱度要高。

分析認為：預應力空心板的預拱度與施加預應力的大小有關。夏季預制預應力空心板時，鋼絞線在太陽暴曬下溫度遠遠高于常溫，按照施工規(guī)范要求：澆注混凝土時鋼絞線溫度不能過高。否則鋼絞線在高溫差的作用下，發(fā)生較大收縮產生超過設計值的張拉力，導致預應力空心板預拱度增大，空心板底板受橫向力也增大，易于發(fā)生縱向開裂。

2 計算分析

2.1 模型建立

本模型模擬預制先張法預應力空心板梁，結構計算采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行建模計算。建模尺寸按實際設計和施工1：1比例尺建立。選用整體式模型模擬鋼筋混凝土，采用可以模擬開裂的solid65體單元模擬C40鋼筋混凝土混凝土，采用link8桿單元模擬預應力鋼絞線。由結構的對稱性，取四分之一結構進行建模，共劃分57420個單元，77610個節(jié)點，可保證計算精度。該模型有關應力計算采用單位為國際單位制，即力為N、長度為m、應力為Pa。

2.2 計算結果

參數(shù)選取及工況劃分材料參數(shù)取值：彈性模量不考慮其發(fā)展過程，E取3.25×1010Pa、密度 ρ 取 2550kg/m3、泊松比取 0.2、線膨脹系數(shù)α取1.0×10-5。根據(jù)上述初步分析，建立模型進行仿真分析。分別建立如下荷載工況分析：

模型1：結構自重、預應力；模型2：結構自重、預應力、鋼束降溫10℃；模型3：結構自重、預應力、鋼束降溫20℃；模型4：結構自重、預應力、鋼束降溫30℃；模型5：結構自重、預應力、鋼束降溫40℃。

2.2.1 分析結果

(1)模型1結果分析底板應力等值線圖如圖2所示。

圖2底板應力等值線圖

圖2 說明：在結構自重及預應力作用下，結構支點附近4m范圍內混凝土拉應力超限，最大值為2.63Mpa。結構開裂位置均位于布置預應力鋼束處，沿縱橋向延伸。開裂位置與實際工程開裂位置吻合，但長度較短，僅在結構自重及預應力作用下，不會產生較長裂縫。

（2）對鋼束施加不同降溫結果分析

當預應力鋼束溫度較高時，施工澆注混凝土后，鋼束將降溫收縮。故分別建立鋼束不同溫差模型，進行分析此溫差對結構的影響。各模型計算得鋼絞線最大拉應力增值如表1所示。溫差-鋼絞線最大拉應力增值關系曲線如圖3所示。

圖3 溫差-鋼絞線最大拉應力增值關系曲線

由上述圖表可知：溫差-鋼絞線最大拉應力增值呈明顯線形關系。鋼絞線對溫度影響敏感，降溫收縮產生的拉力不容忽視，當溫差達到40℃時，鋼絞線最大拉應力為1470Mpa超出鋼絞線抗拉強度設計值1395Mpa的5.4%；混凝土最大拉應力達到2.96Mpa，超出混凝土極限拉應力2.4Mpa。夏季施工過程中，一旦鋼絞線在太陽下暴曬而未經處理，極易導致先張法預應力空心板開裂。

結語

預應力空心板的整體承載力取決于：預應力的大小、結構的剛度。其中結構剛度主要決定因素是腹板的高度。而底板的厚度雖然對結構整體承載力貢獻不大，但是決定了底板局部受力的抗裂能力。雖然結構設計都能滿足規(guī)范要求，但仍需要適當增大板厚，以便增大結構的安全系數(shù)，以避免結構發(fā)生局部破壞。施工預應力工藝，應嚴格按照施工規(guī)范要求操作。鋼束受溫度影響較大，應避免應用高溫鋼束施工。高溫天氣張拉時須采取措施，避免在溫度差的作用下，鋼絞線收縮很可能產生超過設計限值，致使空心板底板受橫向劈裂力增大，易發(fā)生局部開裂。

[1]占玉林,趙人達,毛學明.鋼-混凝土組合結構中剪力連接件承載力的比較[J].四川建筑科學研究,2006(6).

[2]常興文.全比例波形鋼腹板PC箱梁力學特性試驗研究[J].橋梁建設，2006，4.

[3]任紅偉．波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁彎曲性能試驗研究[J]．鐵道學報，2008，30(1):60-64．