連續(xù)梁施工期腹板斜裂縫成因分析和防治措施

高恩全 鄭永衛(wèi) 王豐平

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

0 引言

預應力混凝土連續(xù)梁橋為常規(guī)橋梁，設計、施工經驗豐富。采用平面桿系計算程序進行仿真分析能得到各個施工階段的整體應力狀態(tài)，計算可靠。同時對主跨超過百米的連續(xù)梁橋，一般引入了專業(yè)的第三方監(jiān)控，對施工過程進行詳細分析、全程監(jiān)測，進一步保障了結構的安全。然而實際施工過程中箱梁卻往往出現(xiàn)各種受力裂縫和非受力裂縫，出乎技術人員的意料。尤其是施工早期，如0號塊澆筑等，裂縫產生時結構受力較小，按常規(guī)桿系理論分析難以得出有益的結論。大多數(shù)裂縫的產生是由于局部應力超出允許值，屬于局部失效范疇，使得基于平截面假定的桿系理論分析手段失效。因此本類裂縫計算理論分析需要引入三維有限元的方法。

以某連續(xù)梁橋0號～2號節(jié)段為例，利用ANSYS軟件建立三維有限元局部模，通過進行多工況下三維有限元分析，探求本橋0號～2號節(jié)段腹板出現(xiàn)斜裂縫的主要原因。根據(jù)計算結果提出了防治措施應用于后續(xù)節(jié)段，通過實測表明采取的措施合理有效，后續(xù)節(jié)段未出現(xiàn)腹板斜裂縫。

1 橋梁設計概況簡介

本文以筆者設計的一座連續(xù)梁橋為背景，為(68+120+68)m預應力混凝土連續(xù)箱梁。主梁為單箱單室結構，箱頂全寬12.75 m，箱梁底寬6 m，懸臂板長3.375 m。主梁墩頂高7.2 m，跨中梁高3.2 m。該橋按節(jié)段施工，0號～1號梁段及合龍段采用滿堂支架現(xiàn)澆，其余梁段懸臂澆筑，主梁設三向預應力。主梁1號～3號節(jié)段長3.0 m，腹板厚度0.75 m，節(jié)段梁高5.608 m～6.591 m。1 號節(jié)段根部及前端截面見圖1，圖2。

該橋滿堂支架施工1號段后，雖未張拉預應力，卻發(fā)現(xiàn)了沿預應力管道方向的腹板斜裂縫。同時在施工完2號節(jié)段時，邊中跨節(jié)段腹板又發(fā)現(xiàn)了該類裂縫。該類裂縫豎向位于腹板中部，縱向位于新澆節(jié)段中間位置，沿預應力下彎管道開展，縱向未貫通整個節(jié)段，如圖3所示。檢測表明各條裂縫寬度均小于0.1 mm，長度約為1 m。

圖1 1號節(jié)段根部截面

圖2 1號節(jié)段前端截面

圖3 裂縫位置示意圖

2 腹板斜裂縫成因探討

該橋裂縫出現(xiàn)在0號～2號節(jié)段，并且預應力張拉前就已開展。根據(jù)計算可知，該工況條件下，梁段應力水平低，除自重、預應力外無其他結構荷載。開裂情況無法用桿系理論解釋，屬于典型的局部空間受力問題，應力非規(guī)則區(qū)影響導致裂縫開展。針對該橋的情況，并結合國內外混凝土腹板裂縫的研究，本文認為引起腹板斜裂縫的可能原因[1]主要有以下幾個:

1)自重、掛籃引起的空間效應。2)水化熱的溫差效應:混凝土初凝前由于處于流塑狀態(tài)，先澆老混凝土對新澆節(jié)段變形約束較弱。隨著齡期的增長，新老混凝土交界面約束加強，當新澆混凝土水化熱引起的溫度大幅降低時，便產生溫度應力。當溫度約束應力超過新澆混凝土強度時，便容易出現(xiàn)溫度裂縫。3)不同混凝土齡期引起的不均勻收縮效應:其原理與水化熱引起的溫差效應類似，為老混凝土約束新混凝土變形引起的空間拉應力。4)縱向預應力張拉引起的空間應力效應:各向預應力的配置導致梁截面應力場復雜化，存在一些應力集中區(qū)域。平面計算不能準確的反映預應力效應對結構的影響。5)結構削弱、應力集中:結構削弱并不直接產生拉應力，但其引起應力集中，放大了其他外荷載效應。大量實例也證實裂縫往往首先產生在結構削弱處，如預應力管道周邊、橫隔板人孔處、施工預留孔四周等。

3 整體理論計算

3.1 平面分析模型

采用橋梁專業(yè)軟件QJX程序，根據(jù)該橋施工圖進行建模，對該橋進行施工過程及成橋狀態(tài)分析。全橋采用二維平面模型。結構模型見圖4。

圖4 結構模型

3.2 施工仿真分析結果

分析表明斜裂縫出現(xiàn)在0節(jié)段～2節(jié)段澆筑工況，主梁受力較小，上緣最大拉應力－0.07 MPa，下緣最大拉應力－0.16 MPa，上下緣最大壓應力2.9 MPa，滿足規(guī)范要求，可見主應力均小于規(guī)范限值，梁體不會開裂。由桿系計算可知，平面桿系理論雖然廣泛應用于工程實踐，卻不能反映復雜的空間應力和局部應力。

4 有限元精細化分析

4.1 計算模型

箱梁結構較為復雜，在進行有限元離散時選用適應能力較強的三維實體單元(Solid65)，預應力鋼束采用空間桿單元模擬(Link8)，鋼束與混凝土共同作用通過耦合節(jié)點自由度實現(xiàn)。為保證單元剖分準確、細密，單元采用映射網(wǎng)格劃分，單元的最大邊長不超過20 cm，全模型分得節(jié)點數(shù)47 600個，單元數(shù)36 649個，其中預應力單元3 572個。

4.2 荷載工況

根據(jù)2節(jié)中的分析，計算從上述幾個角度出發(fā)，考察結構在各荷載作用下的空間應力分布情況。首先根據(jù)實際情況，考慮懸臂階段在自重、掛籃等荷載以及預應力作用下結構的應力分布，計算結果見分析結果工況1(見表1)。隨后，在工況1的基礎上考慮不均勻收縮、水化熱溫差等效應，進行計算，計算結果見分析結果工況2。不均勻收縮和水化熱溫差效應均可采用對新澆筑節(jié)段進行降溫的方法進行模擬，降溫溫差選為20℃[2]。

表1 工況列表

4.3 計算結果

4.3.1 工況1(自重、預應力等)

平面桿系計算顯示縱向正應力較小，但對于實際空間結構，結構存在不容忽略的空間應力，局部應力必將超過桿系平均應力?？臻g分析表明，除了預應力錨固區(qū)應力集中處外，模型整體拉應力較小，但壓應力值大于桿系計算。上緣壓應力最大值為4.3 MPa。腹板主應力除錨固區(qū)外，均小于1 MPa。由于預應力錨固區(qū)普通鋼筋構造強大，并由錨墊板分散局部應力，該處計算應力失真。因此，計算認為在常規(guī)施工荷載的作用下，主梁整體應力較小，主拉應力不足以使得腹板開裂。節(jié)段正應力及主應力圖見圖5，圖6。

4.3.2 工況2(水化熱、收縮效應)

從結構收縮效應和水化熱溫差效應的原理可知，兩者在受力機理上存在一定的共性，均為老混凝土約束了新混凝土的變形，兩者均可以采用將新澆混凝土單元進行降溫來模擬。其中降溫荷載包含了等效收縮溫差和等效水化熱溫差兩項。等效收縮溫差按現(xiàn)行規(guī)范進行計算，主要考慮干燥收縮等。根據(jù)表2計算，收縮等效為溫差效應后，降溫荷載可取0.65℃。水化熱溫差由于水化熱的作用溫度升高，混凝土凝固后，當其降溫時產生溫度收縮，取降溫為20℃。

圖5 節(jié)段正應力圖（單位：Pa）

圖6 節(jié)段主應力圖（單位：Pa）

表2 收縮應變計算表

根據(jù)上述計算，將等效溫差荷載共計20.65℃代入有限元模型，計算得節(jié)段正應力云圖和主應力矢量圖如圖7，圖8所示。結構主應力分布與實際情況較為符合。

圖7 節(jié)段主應力云圖（單位：Pa）

4.3.3 分析總結

根據(jù)有限元分析可知，工況1計算的正應力和主應力均較小，小于混凝土開裂應力，由此可知在常規(guī)施工荷載作用下，不會出現(xiàn)該橋沿管道方向的腹板斜裂縫。進一步考慮收縮、水化熱荷載后，計算主拉應力大幅增大，在新老節(jié)段處達3.0 MPa，超出混凝土強度。對比主拉應力云圖和現(xiàn)場裂縫分布可知，主拉應力較大區(qū)域位于新澆節(jié)段近老節(jié)段處，且位于腹板中間區(qū)域，與裂縫分布一致。因此認為該類腹板斜裂縫產生的主要原因是水化熱引起的溫差應力。

圖8 主應力矢量圖

5 防治措施研究及應用

鑒于水化熱是該橋出現(xiàn)腹板沿預應力管道方向斜裂縫的主要原因，本文提出了以降低施工階段水化熱效應、引導釋放溫差應力為主，經濟、合理地加強臨時構造措施為輔的防治措施。1)從材料入手，優(yōu)化配合比。適當?shù)膿郊臃勖夯液偷V物摻合料將降低水泥水化放熱速度，緩解高性能混凝土水泥用量大及標號高引起的早期放熱量，降低溫度應力。2)混凝土的合理澆筑和養(yǎng)護。控制混凝土拆模時間，避免出現(xiàn)拆模后溫度驟降的情況。進一步加強養(yǎng)護工作，控制混凝土溫差，保持混凝土處于濕潤狀態(tài)，引導溫差應力緩慢釋放。養(yǎng)護措施主要有蒸汽養(yǎng)護、橋面覆蓋草墊、帆布包裹混凝土表面等[3]。3)加強臨時構造措施。通過調整箍筋間距和加大鋼筋直徑，加強結構抵抗水化熱產生的臨時溫差應力的性能。該橋后續(xù)施工階段加強了水化熱控制和后期養(yǎng)護，實測表明后續(xù)3號～14號段均未出現(xiàn)腹板斜裂縫，驗證了本文建議措施的合理性，進一步表明本文分析方法和分析結論是有效的、可信的。

6 結語

1)平面桿系程序分析結果不能給出箱梁開裂部位應力狀態(tài)的確定性解答，使結構設計存在安全隱患。在橋梁設計過程中，應注重橋梁空間應力，特別是局部應力的精細化分析。2)水化熱溫差效應是本類裂縫開展的主要原因之一，應加強橋梁溫度應力驗算，特別是空間溫度效應的影響分析。3)施工過程中應通過采用合理的配合比、限制水化熱，并通過精心養(yǎng)護引導水化熱溫度緩慢釋放，降低溫差應力，保證施工早期結構的安全性。

[1] 沈旭東.支架現(xiàn)澆預應力混凝土箱梁開裂原因分析[A].第十八屆全國橋梁學術會議論文集(下冊)[C].2008.

[2] 張國志.混凝土早期開裂評價指標研究[J].混凝土，2008，287(5):90-93.

[3] 李俊升.混凝土箱梁水化熱溫度試驗分析與裂縫控制[J].橋隧工程，2011(5):13-15.

[4] 陳小勇，馬新鋒.淺析混凝土橋梁裂縫處治的方法[J].山西建筑，2011，37(4):168-169.