懸臂施工箱梁腹板開(kāi)裂成因研究

洪 華， 金肅靜， 楊勇勇

(浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 311305)

工程實(shí)例中，箱型梁結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于連續(xù)箱梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。但在施工或運(yùn)營(yíng)期間，該種橋型結(jié)構(gòu)容易受到兩種情況制約而縮短其生命周期，① 隨著結(jié)構(gòu)跨徑增大，主梁跨中變形難以控制[1-2]；② 梁體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫(順橋向出現(xiàn)底板與頂板的縱向裂縫[3-4]、橋面裂縫及施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中腹板斜裂縫[5-6])影響結(jié)構(gòu)耐久性。學(xué)界針對(duì)這種情況進(jìn)行了廣泛且深入研究[7]，得出許多有益結(jié)論及建議。筆者針對(duì)該情況的箱梁腹板開(kāi)裂進(jìn)行了探討、分析，并總結(jié)影響懸臂施工箱梁腹板開(kāi)裂的原因，得出影響主因，探明箱梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的規(guī)律和形成機(jī)理。

1 定性分析

引起箱梁腹板開(kāi)裂的原因可能有許多種，包括混凝土收縮、溫度效應(yīng)、施工工藝、鋼束彎曲等引起的徑向力及錨固區(qū)壓應(yīng)力帶來(lái)的泊松效應(yīng)等。以下定性分析各原因所產(chǎn)生裂縫的機(jī)理。

1.1 收縮引起開(kāi)裂

收縮裂縫一般有兩種形態(tài)：① 發(fā)生在上一節(jié)段和本節(jié)段交接位置，主要原因是由于二者材料齡期不同，上一節(jié)段對(duì)本節(jié)段構(gòu)成約束，限制本節(jié)段的收縮從而導(dǎo)致開(kāi)裂；箱型梁出現(xiàn)如此裂縫的可能性較小，主要原因是上一階段與本階段澆筑時(shí)間間隔較短，梁體不同步施工引起的不同收縮約束應(yīng)力較小，難以導(dǎo)致箱梁開(kāi)裂；② 現(xiàn)澆混凝土內(nèi)部和外部散熱條件不同，引起收縮差異，外部散熱快而內(nèi)部散熱慢，內(nèi)部對(duì)外部構(gòu)成約束，這種裂縫一般呈表面龜裂；這一原因?qū)τ诓捎脩冶鄯ㄊ┕さ倪B續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)而言，存在的可能性較小，因?yàn)樵趹冶凼┕み^(guò)程中，箱梁內(nèi)外都處于開(kāi)放狀態(tài)，散熱條件基本相同。所以，筆者針對(duì)采用懸臂法施工的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)而言，由收縮引起箱梁腹板開(kāi)裂的可能性較小。

1.2 溫度引起開(kāi)裂

溫度效應(yīng)引起的開(kāi)裂，考慮結(jié)構(gòu)整體升降溫和梁體截面梯度溫度。整體升降溫對(duì)施工階段產(chǎn)生應(yīng)變?nèi)羰艿郊s束，混凝土將產(chǎn)生變形，對(duì)于懸臂澆筑的箱梁，合龍前為靜定狀態(tài)，整體升降溫引起腹板開(kāi)裂的可能性較??；梯度升降溫會(huì)在主梁中產(chǎn)生較大的局部彎矩內(nèi)力和自約束應(yīng)力，從而導(dǎo)致開(kāi)裂，一般出現(xiàn)在頂板。因此，由溫度效應(yīng)引起箱梁腹板開(kāi)裂可能性較小。

1.3 施工工藝引起開(kāi)裂

可能引起箱梁腹板開(kāi)裂的施工工藝包括：混凝土施工強(qiáng)度不滿足要求、現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)工作不足、縱向鋼束沒(méi)按照設(shè)計(jì)要求張拉，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋張拉力和引伸量不滿足控制要求、施工臨時(shí)荷載過(guò)大等。在這些因素影響下，可能會(huì)導(dǎo)致箱梁腹板開(kāi)裂。施工現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)以上各個(gè)原因，控制要求都會(huì)比較嚴(yán)格，故出現(xiàn)過(guò)大誤差的可能性較小。因此施工工藝不會(huì)是引起箱梁腹板開(kāi)裂的主因。

1.4 彎曲鋼束的徑向力引起開(kāi)裂

大跨度連續(xù)梁橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為抵消上部結(jié)構(gòu)引起的長(zhǎng)期下?lián)蠒?huì)設(shè)置大量的預(yù)應(yīng)力筋，其中包括腹板預(yù)應(yīng)力束。箱梁腹板預(yù)應(yīng)力束一般從頂板下彎至底板上方，當(dāng)縱向鋼束張拉后，腹板內(nèi)將產(chǎn)生大致向下的徑向力，如圖1[8]。

圖1 腹板預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的徑向力方向Fig. 1 Radial force direction generated by the web prestressing tendons

在徑向力作用下會(huì)造成腹板中產(chǎn)生較大主拉應(yīng)力，方向與鋼束走向基本垂直。當(dāng)主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，混凝土?xí)_(kāi)裂。由于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)明顯，對(duì)應(yīng)徑向力產(chǎn)生的主拉效應(yīng)也非常明顯，是箱梁腹板開(kāi)裂主要因素的可能性較大。

1.5 鋼束錨固力產(chǎn)生的泊松效應(yīng)引起開(kāi)裂

腹板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行錨固，之后混凝土沿鋼束方向產(chǎn)生預(yù)加壓應(yīng)力，由于泊松效應(yīng)，在垂直于鋼束的方向會(huì)產(chǎn)生拉力，拉力方向與鋼束走向垂直。當(dāng)主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土即會(huì)開(kāi)裂。同樣由于該類(lèi)橋型預(yù)應(yīng)力效應(yīng)突出，對(duì)應(yīng)錨固力產(chǎn)生主拉效應(yīng)也將非常突出，它是箱梁腹板開(kāi)裂主要因素可能性較大。

2 定量分析

導(dǎo)致懸臂施工箱梁腹板開(kāi)裂主要原因是箱梁腹板彎起預(yù)應(yīng)力束引起的徑向力和錨固腹板預(yù)應(yīng)力束時(shí)因泊松效應(yīng)帶來(lái)的錨固力。故筆者將定量分析徑向力、錨固力對(duì)腹板主拉應(yīng)力的影響。

筆者以上海環(huán)城北路金匯港大橋作為研究對(duì)象。金匯港橋位于環(huán)城北路(金海公路—金錢(qián)公路)上，采用跨徑為60 m+102 m+60 m的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主橋主梁混凝土結(jié)構(gòu)采用縱、橫、豎3向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。施工期間，在北半幅5#墩1、 2#塊和6#墩3#塊發(fā)現(xiàn)腹板開(kāi)裂，裂縫走向與縱向預(yù)應(yīng)力束方向大致相同，裂縫最大寬度0.1 mm，裂縫位置在縱向鋼束彎折點(diǎn)附近，于腹板內(nèi)、外側(cè)同時(shí)出現(xiàn)，位置相近。箱梁腹板斜裂縫典型示意見(jiàn)圖2，其中腹板預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲半徑為800 m。

圖2 箱梁腹板斜裂縫示意(單位:m)Fig. 2 Indication of oblique crack in web of box girder

2.1 模型建立

2.1.1 模型假定

筆者在建立ANSYS有限元模型時(shí)[9]，作如下假設(shè)：

1)裂縫出現(xiàn)在腹板中部靠近預(yù)應(yīng)力管道位置，故假設(shè)頂板和底板在張拉縱向預(yù)應(yīng)力時(shí)對(duì)腹板應(yīng)力影響較小，可忽略；

2)假設(shè)施工節(jié)段0～2#塊預(yù)應(yīng)力束對(duì)3#塊的影響較小，可忽略；因此截取節(jié)段時(shí)只驗(yàn)算3#塊的預(yù)應(yīng)力束，2#塊截取是為了保留3#塊預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向段，因此模型中選取2～3#塊；

3)模型中未考慮普通箍筋，假設(shè)普通箍筋對(duì)腹板開(kāi)裂影響不大；

4)假設(shè)預(yù)應(yīng)力束在轉(zhuǎn)彎段由徑向力產(chǎn)生的效應(yīng)與在彎起段內(nèi)施加均布面荷載作用相近。

2.1.2 模型計(jì)算

圖3 3#腹板各預(yù)應(yīng)力束編號(hào)Fig. 3 Number of prestressing tendons in 3# web

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)6#墩2、3#塊腹板進(jìn)行局部實(shí)體建模分析，選用SOLID95單元模擬混凝土，LINK8單元模擬預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力管道通過(guò)模型挖空方式進(jìn)行模擬。ANSYS建立所選節(jié)段有限元模型見(jiàn)圖4。

模型采用約束2#塊端部方式進(jìn)行約束。對(duì)于2#塊預(yù)應(yīng)力筋采用節(jié)點(diǎn)耦合法連接預(yù)應(yīng)力鋼束與腹板混凝土，采用初應(yīng)變法模擬預(yù)應(yīng)力荷載；對(duì)于3#塊預(yù)應(yīng)力鋼束作用效應(yīng)將采用錨固力與徑向力形式等代替換，徑向力通過(guò)面荷載形式施加于實(shí)體模型。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 應(yīng)力分析

筆者分別討論了在錨固力、徑向力和錨固力+徑向力荷載作用下，箱梁腹板預(yù)應(yīng)力束彎起段附近平面內(nèi)是否存在主拉應(yīng)力[10-11]；主拉應(yīng)力方向和腹板內(nèi)外側(cè)主拉應(yīng)力大小；在主拉應(yīng)力荷載下，腹板是否會(huì)發(fā)生開(kāi)裂及腹板開(kāi)裂可能的方向，如圖5～8。

由計(jì)算結(jié)果可知：在這3種荷載作用下，預(yù)應(yīng)力束彎起段附近平面內(nèi)存在主拉應(yīng)力，其方向與預(yù)應(yīng)力束管道方向基本垂直；拉應(yīng)力內(nèi)側(cè)和外側(cè)有一定差別，外側(cè)在錨固力荷載作用下產(chǎn)生最大主拉應(yīng)力，其值為1.6 MPa；內(nèi)側(cè)在錨固力+徑向力荷載作用下產(chǎn)生最大主拉應(yīng)力，其值為6.5 MPa。內(nèi)側(cè)主拉應(yīng)力超出混凝土抗拉極限會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，相應(yīng)的內(nèi)側(cè)混凝土退出工作，開(kāi)裂向外延伸，直至混凝土表面開(kāi)裂，開(kāi)裂方向應(yīng)與主拉應(yīng)力方向相同，即與預(yù)應(yīng)力束管道方向基本垂直。

圖5 預(yù)應(yīng)力束彎起段主拉應(yīng)力矢量圖Fig. 5 Main tensile stress vector of the bending section of prestressing tendon

圖6 錨固力作用下預(yù)應(yīng)力束彎起段主拉應(yīng)力云圖Fig. 6 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under anchoring force

圖7 徑向力作用下預(yù)應(yīng)力束彎起段主拉應(yīng)力云圖Fig. 7 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under radial force

圖8 錨固力+徑向力作用下預(yù)應(yīng)力束彎起段主拉應(yīng)力云圖Fig. 8 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under the action of anchoring force and radial force

2.2.2 應(yīng)力在平面內(nèi)外變化趨勢(shì)分析

由于腹板內(nèi)、外側(cè)拉應(yīng)力差別較大，需進(jìn)一步分析斷面水平方向上拉應(yīng)力分布情況。因各斷面規(guī)律相似，筆者只分析最大值管道邊緣到腹板外側(cè)各截取截面上主拉應(yīng)力的變化規(guī)律，1～4#點(diǎn)布置如圖9；結(jié)果如圖10。

由圖10可得出：腹板截面主拉應(yīng)力隨著離腹板預(yù)應(yīng)力管道距離增加而減小，其中“徑向力+錨固力”效應(yīng)最明顯。

圖9 管道邊緣到腹板外側(cè)0～4#點(diǎn)位置示意Fig. 9 0～4# position from pipeline edge to the outside of web

圖10 管道邊緣到腹板外側(cè)應(yīng)力變化Fig. 10 Stress variation from the edge of pipeline to the outside of web

2.2.3 鋼束彎曲半徑對(duì)腹板應(yīng)力的影響

筆者建立不同鋼束彎曲半徑腹板有限元模型(同上)，并通過(guò)提取腹板內(nèi)外主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可得到：增大下彎半徑能降低腹板束截面處的主拉應(yīng)力。

3 結(jié) 論

1)懸臂施工箱梁腹板開(kāi)裂具體原因主要包括：混凝土收縮、溫度效應(yīng)、施工工藝、預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲等引起的徑向力及錨固區(qū)壓應(yīng)力帶來(lái)的泊松效應(yīng)。其中：由預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲引起的徑向力和錨固區(qū)壓應(yīng)力帶來(lái)的泊松效應(yīng)引起箱梁腹板開(kāi)裂可能性較大；

2)利用有限元軟件ANSYS通過(guò)工程實(shí)例對(duì)上述兩個(gè)因素引起的腹板開(kāi)裂原因進(jìn)行分析可知：懸臂施工箱梁腹板開(kāi)裂容易發(fā)生在腹板預(yù)應(yīng)力束彎起段，且其方向垂直于彎起預(yù)應(yīng)力束；

3)在“錨固力+徑向力”荷載作用下，管道邊緣到腹板外側(cè)各截取截面上主拉應(yīng)力大小不同，其規(guī)律是隨著離腹板預(yù)應(yīng)力管道距離增加，主拉應(yīng)力減小。