连续刚构桥施工过程中腹板斜裂缝成因分析及试验研究*

唐小兵 贾志伟 黄 爱 潘 晋

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉地铁集团2) 武汉 430070)

连续刚构桥施工过程中腹板斜裂缝成因分析及试验研究*

唐小兵1)贾志伟1)黄 爱2)潘 晋1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉地铁集团2)武汉 430070)

为了查找预应力混凝土连续刚构桥施工过程中箱梁腹板沿波纹管方向产生斜裂缝的原因，对预应力张拉前后进行了腹板应力测试，并利用ANSYS软件建立空间有限元模型，对腹板配筋率、顶板纵向预应力变化、腹板竖弯纵向预应力变化、腹板竖向预应力变化和腹板厚度变化等影响腹板裂缝出现的因素进行了分析.结果表明，腹板配筋率和顶板纵向预应力不是箱梁施工过程中腹板斜裂缝的敏感因素，腹板竖弯纵向预应力、腹板竖向预应力和腹板厚度对腹板斜裂缝的产生比较敏感.避免箱梁腹板斜裂缝发生的理想预应力张拉顺序是：先张拉顶板纵向预应力，然后张拉腹板竖向预应力，最后张拉腹板竖弯纵向预应力.

预应力混凝土；连续刚构桥；施工；腹板裂缝

0 引 言

在大跨度预应力混凝土桥梁施工过程中，箱梁腹板沿波纹管方向的斜裂缝已成为常见病害之一.文献[1-5]对腹板中最大主应力分布进行了有限元计算分析，文献[6-8]对预应力张拉过程的腹板应力进行了监测分析，研究结果表明，竖弯纵向预应力筋张拉造成腹板主拉应力过大是腹板斜裂缝产生的主要原因.

文中结合某特大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控，开展了腹板应力测试、腹板钢筋配置变化对腹板裂缝的影响、顶板纵向预应力变化对腹板裂缝的影响、腹板竖弯纵向预应力变化对腹板裂缝的影响、腹板竖向预应力变化对腹板裂缝的影响及腹板厚度变化对腹板裂缝的影响等研究工作.

1 工程实例

某大桥主桥为88 m+2×160 m+88 m预应力混凝土连续刚构，主梁采用直腹板的单箱单室箱梁，单向横坡，箱梁顶板宽度为15.50 m，底板宽度为7.50 m，墩顶根部中心梁高10 m，底板厚度1.20 m，箱梁采用三向预应力体系.

在其中一个T构对称悬臂施工完成2#节段后，开始发现内侧腹板开裂，裂缝基本沿波纹管方向，随着施工的进展，后续浇注的节段许多都出现裂缝.经检查，全桥共发现斜裂缝65条，这些裂缝没有一条伸展到与上一个节段混凝土的交界处，其中大多数裂缝分布在5#～12#节段，裂缝起始位置距离张拉端大多为500～1 000 mm、长度为350～2 500 mm、平均宽度0.05～0.17 mm、平均深度16～64 mm.

斜裂缝的发生主要是在纵向预应力钢绞线张拉后，为了解腹板裂缝处的应力应变变化情况，在该桥其中2个3 m长的8#节段腹板埋设钢弦式应变传感器，一组按正常设计图纸施工的应力监测，另一组为腹板波纹管周围的箍筋和钢筋网片加密后的应力监测.传感器埋设在腹板内、外侧，处于节段中间的波纹管位置并垂直于波纹管，两组共埋设8个传感器，见图1.

图1 传感器埋设示意图

2 空间有限元计算及实测结果分析

2.1 计算模型简化

根据Saint-Venant原理，预应力张拉端的集中力仅仅影响其局部的应力分布，同时该桥0#～3#节段空间计算模型的计算结果也反映预应力张拉只是引起局部的应力集中，因此,可以选取该桥第8#节段作为有限元建模分析对象，使用ANSYS软件建立有限元空间模型，见图2.该箱梁节段长3 m，腹板厚75 cm，混凝土为C60，不考虑混凝土自重(预应力张拉前节段混凝土有挂篮模板支撑，且测试结果表明混凝土浇注后腹板应力变化很小，可以忽略)，采用的纵向顶板和腹板预应力钢束均为2×25Φs15.2 mm，张拉控制应力为1 370 MPa，竖向预应力精轧螺纹钢JL32张拉控制应力837 MPa.模型中混凝土材料采用SOLID65单元，弹性模量取值36 GPa，并考虑腹板混凝土的三向配筋率.所有预应力筋均采用LINK8单元，采用降温方法模拟预应力施加，由于本节段箱梁是左右对称的，因此只需要建立一半的模型.另外，模型中不考虑预应力孔道及张拉端局部加强筋的影响，在节段交界处的边界条件主要是限制沿桥梁纵向的位移，节段对称面则限制横桥向位移.

图2 第8#节段箱梁有限元模型

2.2 计算结果与测试结果对比分析

分别对混凝土浇注前后、纵向预应力张拉前后及竖向预应力张拉后的应力进行测量，测量结果与有限元计算结果的比较,见表1，表中正值表示拉应力，负值表示压应力，实测初始应力为相对于实验室常温下的标定值，未作归零处理.

表1 正常设计图纸施工状态下实测腹板垂直于 波纹管方向应力与计算应力比较 MPa

由表1可知，浇筑混凝土和预应力张拉前腹板垂直于波纹管方向的实测应力很小.

纵向预应力张拉后，腹板内侧的实测应力平均值为2.87 MPa，接近于混凝土的轴心抗拉强度标准值2.85 MPa，且大于混凝土的抗拉设计强度1.96 MPa，此时，腹板混凝土容易产生沿波纹管方向的裂缝.实际上，现场观察发现腹板上出现了2道明显的沿腹板波纹管方向的裂缝，其长度分别为56 cm和135 cm，平均宽度为0.09 mm和0.11 mm.

在竖向预应力张拉后，4个测点的应力平均值为1.53 MPa，已经远远小于混凝土的轴心抗拉强度标准值，相对于纵向预应力张拉后的实测值则减小了31%～43%.现场裂缝观测发现，腹板沿波纹管方向的裂缝在竖向预应力张拉后，裂缝发生了闭合的现象.另外，竖向预应力张拉后与张拉前相比，垂直于波纹管方向的计算应力应该减小61%，但是实际测试结果平均值只减小了38%，这主要是竖向预应力张拉会产生较大的预应力损失所致，黄豪等[9]对竖向预应力张拉过程的实测结果表明，竖向预应力损失会达到50%以上，邓志恒等[10]对3座桥的实测结果表明，竖向预应力损失可达23%～50%.

3 腹板斜裂缝影响因素分析

通过ANSYS有限元计算分析，得出如下腹板配筋率、顶板纵向预应力变化、腹板竖弯纵向预应力变化、腹板竖向预应力变化与腹板厚度变化对腹板斜裂缝的影响分析.

3.1 腹板配筋率对腹板斜裂缝影响分析

在其他条件不变的情况下，腹板配筋率与腹板垂直于波纹管方向的拉应力关系见图3，当腹板配筋率从设计值的50%增大到150%时，腹板垂直于波纹管方向的拉应力减小缓慢(从2.87 MPa减小到2.60 MPa)，这说明，增大腹板配筋率对防治腹板沿波纹管方向裂缝的作用不明显.

图3 腹板配筋率与垂直于波纹管方向应力

表2是另外一个8#节段腹板波纹管周围箍筋和腹板钢筋网片加密后，对混凝土浇注前后、纵向预应力张拉前后及竖向预应力张拉后应力测量结果与有限元计算结果的比较.

表2 腹板波纹管周围箍筋加密后实测腹板垂直于 波纹管方向应力与计算应力比较 MPa

比较表1～2可知，腹板波纹管周围箍筋和钢筋网片加密与不加密相比，对腹板垂直于波纹管方向应力影响很小，4个点实测平均应力从2.50 MPa减小到2.39 MPa，且现场观察发现，加密箍筋后腹板仍然出现了一条沿波纹管方向的裂缝，裂缝长46 cm，平均宽0.13 mm.因此，腹板配筋率对于腹板斜裂缝的影响不大，腹板配筋率不是腹板裂缝的敏感性因素.

3.2 顶板纵向预应力变化对腹板斜裂缝影响分析

保持腹板竖弯纵向预应力张拉到设计值的100%，竖向预应力为0，分别将顶板纵向预应力张拉到设计值的60%，80%和100%，顶板纵向预应力与腹板垂直于波纹管方向的拉应力关系见图4.

图4 顶板纵向预应力与垂直于波纹管方向应力

由图4可知，当顶板纵向预应力从设计值的60%增大到100%时，腹板垂直于波纹管方向的拉应力基本不变，即顶板纵向预应力不是腹板裂缝的敏感性因素.

3.3 腹板竖弯纵向预应力变化对腹板斜裂缝影响分析

保持顶板纵向预应力为张拉到设计值的100%和腹板竖向预应力为0，分别将腹板竖弯纵向预应力张拉到设计值的60%，80%和100%，可以得到腹板垂直于波纹管方向的拉应力变化见图5.

图5 腹板竖弯纵向预应力与垂直于波纹管方向应力

由图5可知，腹板竖弯纵向预应力越大，腹板垂直于波纹管方向的拉应力越大，腹板容易出现沿波纹管方向的裂缝.因此，腹板竖弯纵向预应力是腹板斜裂缝产生的重要因素.

3.4 腹板竖向预应力变化对腹板斜裂缝影响分析

不考虑顶板和腹板纵向预应力，分别将腹板竖向预应力张拉到设计值的60%，80%和100%，可以得到腹板垂直于波纹管方向的应力变化见图6(负值表示压应力).

图6 腹板竖向预应力与垂直于波纹管方向应力

由图6可知，腹板竖向预应力越大，腹板垂直于波纹管方向的压应力就越大，此压应力可以有效减小由腹板竖弯纵向预应力引起的垂直于波纹管方向的混凝土拉应力.

3.5 腹板厚度变化变化对腹板斜裂缝影响分析

保持纵向预应力及腹板竖向预应力均为100%，改变腹板厚度进行计算，可以得到腹板垂直于波纹管方向的应力变化见图7.

图7 腹板厚度与垂直于波纹管方向应力

由图7可知，腹板厚度越大，腹板垂直于波纹管方向的拉应力越小.因此，增大腹板厚度对于预防腹板斜裂缝的发生有明显效果.

4 结 论

1) 增大腹板波纹管周围箍筋配筋率和(或)加密腹板钢筋网片对防治箱梁施工过程中腹板沿波纹管方向斜裂缝的作用效果不明显.

2) 顶板纵向预应力对腹板斜裂缝产生与否基本没有关系.

3) 腹板竖弯纵向预应力张拉会引起腹板内产生较大的主拉应力，容易引起腹板斜裂缝的发生，需要给予足够重视.

4) 虽然增加腹板厚度对于防止斜裂缝的发生有一定帮助，但是，节段重量增加会导致全桥结构受力变化及建设成本加大，需要慎重考虑.

5) 在张拉腹板竖弯纵向预应力前进行腹板竖向预应力的张拉可有效防治斜裂缝的发生，在条件允许的情况下，预应力张拉的理想顺序是：顶板纵向预应力张拉→腹板竖向预应力初张拉→腹板竖弯纵向预应力张拉，两个节段以后再进行横向预应力张拉和腹板竖向预应力二次张拉.

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Analysis of Formation Causes and Experimental Study on the Diagonal Cracks in the Web of Continuous Rigid Frame Bridge During Construction

TANG Xiaobing1)JIA Zhiwei1)HUANG Ai2)PAN Jin1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanMetroGroup,Wuhan430070,China)2)

In order to explore the reason that cracks are discovered along the bellows direction on the girder construction process of pre-stressed concrete continuous rigid frame bridge, the stress of the web are tested before and after the pre-stressed tensioning, and the space finite element model is established by using ANSYS software for analyzing the reinforcement ratio of the web, the change of longitudinal pre-stressing of the roof, the change of vertical bending longitudinal pre-stressing of the web, the change of the vertical pre-stressing and the thickness of the web. The results show that reinforcement ratio of the web and longitudinal pre-stressing of the roof are not the sensitive factors for the inclined cracks in webs of the process of construction. The vertical bending longitudinal pre-stressing of the web, vertical pre-stress and thickness of the web are found to be the sensitive factors for generating the cracks. In order to avoid the occurrence of diagonal cracks in the web of box girder, the ideal sequence about pre-stressed tensioning is: first, tensioning the longitudinal pre-stressing of the top plate, and then tensioning the vertical pre-stressing of the web, tensioning vertical bending longitudinal pre-stressing of the web at the end.

prestressed concrete; continuous rigid frame bridge; construction; web crack

2016-12-20

*国家自然科学基金青年基金项目资助(51609192)

U448

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.004

唐小兵(1956—)：男，博士，教授，主要研究领域为结构动力学、工程力学中的反问题、桥梁健康监测的桥梁施工控制