預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁腹板裂縫成因分析

武志杰

（張家口市路橋工程監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000）

1 引言

當(dāng)前我國有著較高的人均車輛占有率，為與當(dāng)今的交通量相匹配，人們不斷追求更高的橋梁建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及更寬更大的建設(shè)幅度。此時(shí)，小箱梁結(jié)構(gòu)橋梁因其自身受力合理等特點(diǎn)而受到人們的廣泛應(yīng)用。當(dāng)因小箱梁所采用材料的強(qiáng)度等的不足，使其在運(yùn)營時(shí)容易出現(xiàn)較多的病害，尤其是對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言，裂縫病害非常常見?；诖?，本文將針對預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁的腹板裂縫進(jìn)行探討，以分析其成因。

2 工程概況

該橋梁全長2 040m，以一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有著80km/h的設(shè)計(jì)速度，先簡支后連續(xù)橋梁體系，上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，上下行分離式斷面，35m的基本跨徑。橋梁施工時(shí)再張拉完小箱梁預(yù)應(yīng)力筋之后，因各種因素的影響，使其在完成張拉后未能及時(shí)開展灌漿工作，并且有著多達(dá)7d以上的壓漿間隔張拉時(shí)間。橋梁運(yùn)營期間有多條縱向裂縫出現(xiàn)在小箱梁腹板預(yù)應(yīng)力管道處。

為能夠較為準(zhǔn)確地對混凝土小箱梁的整體受力進(jìn)行研究分析，以獲取其腹板出現(xiàn)縱向裂縫的原因，本文將通過有限元軟件Midas對小箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，特別是針對其腹板處的受力而言。采用有限元仿真分析的方法，對小箱梁在施工和運(yùn)營等階段的應(yīng)力進(jìn)行模擬，以尋求腹板縱向裂縫出現(xiàn)的具體階段。使用空間桿系單元模型對腹板的應(yīng)力場進(jìn)行建模分析。以橋梁一聯(lián)為研究對象，根據(jù)橋梁實(shí)際對邊界條件進(jìn)行模擬。

3 整體受力分析

分析施工和運(yùn)營階段小箱梁在荷載組合作用下的腹板應(yīng)力分布情況，以獲取小箱梁模型中裂縫出現(xiàn)的可能原因。

3.1 施工階段小箱梁應(yīng)力分布

在預(yù)制小箱梁時(shí)，當(dāng)混凝土澆筑后的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后對其腹板進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力施工[1]。將5片小箱梁澆筑成整體，使其成為連續(xù)梁體系，本文在模擬該部分?jǐn)?shù)值時(shí)所遵循的順序?yàn)椋涸跐仓甓瞬炕炷敛⒃谄鋸?qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力施工。在進(jìn)行有限元建模分析時(shí)，首先以五跨箱梁為整體進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)際施工情況模擬移動(dòng)荷載和運(yùn)營階段。

由頂板張拉數(shù)據(jù)可知，在各個(gè)控制截面中僅有0.14MPa的最大主拉應(yīng)力在支座處出現(xiàn)，并且腹板在理想的施工體系中不會(huì)有較大的主拉應(yīng)力出現(xiàn)，從而導(dǎo)致縱向裂縫出現(xiàn)在腹板位置。

3.2 運(yùn)營階段應(yīng)力分析

對最不利組合長期作用下，小箱梁在運(yùn)營階段的頂?shù)装鍛?yīng)力進(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖1所示。限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 最不利組合長期作用下頂板正應(yīng)力

在最不利組合的長期作用下A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件小箱梁頂板正應(yīng)力不得超過1.55MPa，底板不得有大于1.03MPa的拉應(yīng)力以及不得有大于15MPa的壓應(yīng)力。從模擬結(jié)果可知，在最不利組合的長期作用下，腹板有著1.46MPa的主拉應(yīng)力，以及13.5MPa的最大正應(yīng)力，二者均在跨中位置出現(xiàn)，可知其頂?shù)装宓恼龖?yīng)力滿足規(guī)范要求，即腹板截面有足夠的抗裂強(qiáng)度，不會(huì)有開裂出現(xiàn)[2]。

同理，對其進(jìn)行短期最不利荷載組合的分析可知，此時(shí)的5號(hào)墩附近的腹板有著1.12MPa的最大主拉應(yīng)力，小于15MPa的要求，即此時(shí)不會(huì)有裂縫出現(xiàn)在橋梁腹板處。在對橋梁運(yùn)營階段進(jìn)行分析時(shí)，考慮該橋梁在運(yùn)營時(shí)有較多的卡車過往，故在考慮小箱梁腹板受力和活載之間的關(guān)系時(shí)，基于規(guī)范限制進(jìn)行集卡車的活載布置，并以3車道一副的形式進(jìn)行模擬。所得結(jié)果如圖2所示。

可知，腹板在最大的移動(dòng)荷載作用下在3號(hào)墩周圍有1.17MPa的最大主拉應(yīng)力，當(dāng)移動(dòng)荷載最小時(shí)其在2號(hào)墩周圍有著0.47MPa的最大主拉應(yīng)力，二者均小于規(guī)范限定值。

圖2 移動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大效應(yīng)腹板主拉應(yīng)力分布

4 預(yù)應(yīng)力定位偏差的影響

腹板預(yù)應(yīng)力鋼束在設(shè)計(jì)條件下應(yīng)沿著腹板中心進(jìn)行布置，但實(shí)際情況往往因其他因素的影響而使得波紋管出現(xiàn)定位偏差，使其在預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中有徑向力作用到腹板上[3]。為更加準(zhǔn)確地對預(yù)應(yīng)力定位偏差的影響進(jìn)行分析，本文將波紋管的定位偏差細(xì)分為橫向和豎向2種類型的偏差進(jìn)行分析。并根據(jù)橋梁的橫斷面特點(diǎn)，劃分為3種工況進(jìn)行分析。具體為：理想狀態(tài)下無任何偏差的工況I；N2孔道出現(xiàn)橫向1cm偏差的工況II；N2孔道橫向出現(xiàn)2cm偏差的工況III。

在工況I的理想狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉可知，小箱梁腹板僅在自重和預(yù)應(yīng)力作用下在腹板內(nèi)外側(cè)有著-0.40～1.14MPa的主拉應(yīng)力分布；腹板位置在波紋管的起彎點(diǎn)處有著最大的主拉應(yīng)力。

在工況I的條件下進(jìn)行腹板預(yù)應(yīng)力筋的張拉時(shí)，其具有1.14MPa的最大主拉應(yīng)力，因該橋梁采用的混凝土等級(jí)為C50，有著2.64MPa的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故在工況I的條件下其主拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，小箱梁腹板不會(huì)有裂縫出現(xiàn)。綜上可知，腹板縱向裂縫不會(huì)由理想的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生。

在工況II的條件下，波紋管道有著1m的偏差，此時(shí)對腹板受力進(jìn)行模擬可得結(jié)果：有-0.5～1.47MPa的主拉應(yīng)力出現(xiàn)在腹板處，大概在距跨中8.5m位置處的預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)有最大的主拉應(yīng)力出現(xiàn)，具體表現(xiàn)在小箱梁腹板的外側(cè)區(qū)域，此外，該位置還有1.34MPa的最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)。工況II下有著1.47MPa的主拉應(yīng)力最大值，相比于工況I而言，其有著1.04MPa的增量。理想狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，其產(chǎn)生的主拉應(yīng)力處于規(guī)范限定值內(nèi)，表明此時(shí)不會(huì)有裂縫出現(xiàn)在混凝土上，但當(dāng)有波紋管局部偏差出現(xiàn)時(shí)，其主拉應(yīng)力有較為顯著的增加。

工況III下，在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，因管道偏差數(shù)值有所增加，使得腹板所受的水平徑向力也有所增加。此時(shí)，在預(yù)應(yīng)力張拉的情況下，因管道未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行灌漿施工，使得腹板截面處于削弱狀態(tài)，導(dǎo)致徑向力的作用更加明顯。與工況II相比，工況III作用下的腹板主拉應(yīng)力有95%的增大。基于彈性分析結(jié)果可知，腹板外側(cè)有著-0.49～3.46MPa的主拉應(yīng)力，且在N2管道外側(cè)有最大值出現(xiàn)，腹板外側(cè)還存在-0.19～2.84MPa的豎向應(yīng)力，遠(yuǎn)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 結(jié)語

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁為研究對象，采用有限元分析軟件Midas對其進(jìn)行了仿真分析。通過上述對其受力和預(yù)應(yīng)力管道偏差的分析，主要得出如下結(jié)論：通過對小箱梁腹板受力進(jìn)行仿真分析，可知其各控制截面處的主應(yīng)力等均比混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要小，即不會(huì)有縱向裂縫出現(xiàn)在腹板位置；通過對為灌漿期間小箱梁腹板位置處預(yù)應(yīng)力管道偏差對應(yīng)力造成的影響進(jìn)行分析可知，在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)因波紋管偏差所帶來的對孔道內(nèi)壁的徑向力作用，使腹板應(yīng)力變化較大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力管道有2cm的橫向偏差時(shí)，腹板處有3.46MPa的最大拉應(yīng)力，此時(shí)將會(huì)有裂縫出現(xiàn)在腹板外側(cè)，并將會(huì)持續(xù)開展到孔道內(nèi)壁。