连续箱梁桥竖向预应力改善腹板抗裂性的应用分析

张燕清

(三明市高速公路有限责任公司， 福建 三明　365000)

连续箱梁桥竖向预应力改善腹板抗裂性的应用分析

张燕清

(三明市高速公路有限责任公司， 福建 三明365000)

摘要：大跨径预应力箱梁因其受力优势在福建山区高速公路得到广泛运用。大跨径预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝的存在对桥梁结构的安全性、适用性和耐久性造成严重影响。竖向预应力的应用是提高大跨径预应力混凝土连续箱梁桥腹板抗裂性的有效手段。基于2次控制张拉竖向预应力在福建省某高速连续箱梁桥的应用实例，对竖向预应力钢筋张拉对腹板抗裂性的影响进行分析。

关键词：桥梁工程；预应力混凝土连续箱梁桥；竖向预应力；2次张拉；腹板抗裂性

福建省地处我国东南丘陵地区，山地面积比例高。近年来，随着福建省高速公路建设向西部、北部山区延伸，高墩大跨径箱梁桥因其强大的跨越能力和成熟的施工技术在该省得到广泛运用[1-2]。随着交通流日益增大，预应力混凝土连续箱梁桥截面宽度也相应增加，而箱形截面可有效抵抗正负弯矩，抗弯刚度和抗扭刚度均较大，且整体性较好。

但是，大跨径预应力连续箱梁桥在施工和运营期间的腹板斜向裂缝问题尤为突出。其产生原因很多，且往往是结构特性、设计、施工、材料、工艺等综合因素作用的结果[3-6]。该类桥梁大多采用悬臂法施工，部分大跨度桥梁甚至在施工过程中腹板就出现了斜向裂缝。

本文以福建省某高速公路连续箱梁桥施工为例，对腹板竖向预应力张拉进行有限元应力分析，并根据箱梁腹板的受力特点，研究腹板竖向预应力钢筋张拉对腹板抗裂性的影响。

1工程概况

福建省某在建预应力混凝土变截面连续刚构箱梁桥跨径布置为50 m+90 m+50 m，截面形式为单箱单室，单幅桥宽12 m。该桥采用C50混凝土材料，纵向预应力钢束采用钢绞线，其公称直径15.2 mm，面积140 mm2，强度标准值1 860 MPa，张拉控制应力1 357.8 MPa，弹性模量为1.95×105MPa。竖向预应力筋采用32 mm精轧螺纹钢，其标准强度930 MPa，弹性模量2.0×105MPa，张拉控制应力790.5 MPa。

该桥第4#节段施工完成后发现腹板出现斜裂缝，裂缝在箱梁两侧对称产生，长约3 m，方向约为40°，基本与腹板下弯束预应力筋方向一致。现场裂缝检测如图1所示。经各方多次讨论，认为其属于施工过程中产生的结构裂缝，是由于腹板主拉应力超过混凝土抗拉强度所致，建议进行竖向预应力钢筋2次张拉。考虑混凝土施工过程中其收缩徐变对预应力的影响很大，因此建议2次张拉竖向预应力钢筋时超张拉至120%，以分析张拉竖向预应力钢筋对腹板抗裂性的影响。

图1　某在建刚构桥梁悬臂施工腹板斜裂缝

2理论分析

箱梁腹板是箱梁截面受力最复杂的部位之一，它受桥梁纵向弯矩、轴力以及横向剪力、弯矩的作用。腹板设计主要由剪力控制。常规布置竖向预应力钢筋时，箱梁腹板平面应力状态如图2所示[6]。对于连续刚构桥而言，支座部位的剪力最大，跨中剪力往往最小。因此，桥梁结构的抗剪设计集中在支座到1/4跨之间。腹板剪应力主要由纵向弯曲剪应力和横向扭转应力组成。剪力一般由混凝土和截面上的剪力配筋来抵抗。预应力施加的预压力在预应力筋方向一般为压应力，且在垂直于钢束走向的混凝土主拉应力较大，其是致使腹板结构产生斜裂缝的重要因素[7]。

图2　箱梁腹板平面应力状态

预应力混凝土构件的抗裂性验算都是以构件混凝土拉应力是否超过规定的限值来判定，梁体斜截面抗裂性验算通过构件混凝土主拉应力σtp验算来控制。JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[8]规定斜截面抗裂性验算只需验算混凝土在短期效应组合下的主拉应力σtp，并在第6.3.3条给出主拉应力σtp计算式为：

式中：σcx为自重及外荷载等作用下混凝土的轴向应力；σcy为竖向预应力作用下混凝土的竖向应力；τ为混凝土剪应力。

该公式从纵向和竖向二维来分析主拉应力，且分析基于平截面假定和杆系模型2个基本条件，忽略了剪滞效应、翘曲畸变效应等横向因素对应力分布不均匀的影响，忽略了横向力等对主应力大小的影响，计算得出的主拉应力必然小于实际梁体主拉应力的最大值。此外，该规范规定的荷载效应基于短期效应组合，实际上是运营阶段梁体的应力验算，而对桥梁施工过程中箱梁腹板的应力状态一般不进行正常使用时极限状态(抗裂)计算。考虑运营阶段梁体应力验算时，除了腹板本身复杂的受力状况外，往往忽略施工过程中梁体应力状况的改变。

3有限元分析

采用大型有限元通用软件MIDAS FEA建立模型，对福建省某高速公路连续箱梁桥悬臂结构进行局部分析。梁体结构采用3D 8节点6面体单元模拟，预应力钢束采用实体线段模拟，计算不考虑管道影响，模型如图3所示。有限元模拟以桥梁前5节段(0#～4#)箱型块件作为计算模型，计算考虑挂篮重量和施工荷载，并考虑加载后续节段重量荷载的影响。

图3　桥梁模型

模拟过程基于应力变化而非施工流程，施加竖向预应力荷载时，观察腹板竖向钢筋对腹板梁体应力分布的影响。模拟流程如下：建立梁体模型→张拉4#节段腹板束→张拉4#节段顶板束→张拉50%竖向预应力→张拉120%竖向预应力。每一流程环节计算1次，观察腹板梁体应力分布。通过有限元软件模拟施工各流程，得到各阶段的模型主应力云图，如图4所示。模型考虑了混凝土的收缩徐变和预应力损失，零号块与墩柱之间为全固结的约束条件。

图4　箱梁主应力云图

通过有限元模型施工模拟分析，可以得到竖向预应力钢筋的张拉能够很好地提高腹板混凝土主拉应力方向的压应力储备，提高混凝土结构的抗裂性能。对4#块进行局部主应力分析，可得到主应力云图和腹板预应力钢束锚固区局部主应力图，分别如图5、图6所示。

图5　4#块局部主应力云图

图6　4#块腹板预应力钢束锚固区局部主应力图

根据有限元计算模型，分别提取沿腹板预应力钢束混凝土单元在不同施工节段的应力，如图7所示。从图7可以看出，腹板预应力钢束张拉后，在锚固位置及腹板预应力钢束走向位置会出现主拉应力较为集中的区域；待竖向预应力钢筋张拉后，主拉应力值有相应减小。由此可知，张拉竖向预应力钢筋能够改善箱梁腹板的受力状况，并减弱应力集中区的拉应力。

图7　不同施工节段沿腹板预应力钢束混凝土单元应力

4实际应用

实际工程中，福建省某高速公路连续箱梁桥调整了竖向预应力钢筋的张拉工法，对竖向预应力钢束进行了2次张拉。成桥后交工验收混凝土结构裂缝外观检查结果见表1。

经交工验收修补后，福建省某高速公路连续箱梁桥运营期间，对其个别裂缝开展情况进行了监测，未发现裂缝的缝宽、缝长有增大趋势。

5结论

1) 按照有限元分析得到的箱梁节段主应力数据，对箱梁腹板施加竖向预应力后，箱梁腹板受力状况得到极大改善，腹板混凝土的主拉应力方向的压应力储备也得到提高，从而提高了混凝土结构的抗裂性能。

2) 考虑混凝土收缩徐变在施工中对预应力的影响很大，建议2次张拉竖向预应力钢筋时应超张拉至120%。

表1　福建省某高速公路连续箱梁桥成桥交工验收混凝土结构裂缝外观检查结果

3) 施工实践表明，初次张拉50%竖向预应力不能避免现场施工过程中拉应力引起腹板裂缝产生，原因在于混凝土的收缩与徐变对竖向预应力损失有较大影响。考虑到裂缝产生后的不可逆性，建议适当调整竖向预应力初次张拉的百分比和2次张拉的时间差。

参 考 文 献

[1]夏禾.桥梁工程(下)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]范立础.预应力混凝土连续粱桥[M].北京：人民交通出版社，1988.

[3]顾凯锋，彭卫.预应力混凝土连续箱梁桥腹板斜裂缝研究[J].华东公路，2004(3)：34-36.

[4]宋随弟，祝兵.预应力混凝土连续刚构桥腹板斜裂缝发生机理研究[J].桥梁建设，2008(3)：71-74.

[5]刘芳平，周建庭，宋军，等.悬臂施工过程中箱梁腹板斜裂缝成因分析[J].施工技术,2012，41(23)：47-50.

[6]黄海东，向中富.大跨连续箱梁桥竖向预应力筋的优化设计[J].公路，2010(1)：53-56.

[7]于天来，姜震.连续刚构箱梁桥腹板开裂原因分析[J].中外公路，2013(4)：132-136.

[8]中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Analysis for Application of Vertical Prestress in Continuous Box-girder Bridges for Improvement of Crack Resistance of Webs

ZHANG Yanqing

Abstract:Large-span prestressed box girders are widely applied for expressways in mountainous area of Fujian due to their mechanical advantages. Existence of cracks on webs of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridges causes serious influences on safety, availability and durability of bridge structures. The application of vertical prestress is effective means to improve crack resistance of webs of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridges. Based on the application examples of vertical prestress by means of the secondary control tension in continuous box-girder bridge on some expressway in Fujian Province, this paper analyzes the influences of tensioning of vertical prestressed reinforcements on crack resistance of webs.

Keywords:bridge project; prestressed concrete continuous box-girder bridge; vertical prestress; secondary tension; crack resistance of web

文章编号：1009-6477(2016)02-0079-04

中图分类号：U448.21+3

文献标识码：A

作者简介：张燕清(1964-)，男，福建省莆田市人，本科，高工。

收稿日期：2015-12-21

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.018