多跨预应力混凝土连续梁桥受力裂缝控制研究

王乾 刘勇

摘 要：以某五跨预应力混凝土连续梁桥为工程背景，针对施工中出现的纵向裂缝问题，利用ANSYS软件分析了此裂缝的形成机理。分析结果表明，集中于腹板的预应力筋布置形式对箱梁第一节段端部顶板、底板产生了较大的横向拉应力，最终导致纵向裂缝的形成，同时预应力锚固局部效应容易产生局部纵向裂缝。结合分析结果，给出了防止此类纵向受力裂缝产生的控制措施和建议。

关键词：桥梁工程；局部效应；裂缝控制；多跨连续箱梁桥；锚具连接器

中图分类号：U445.47+1 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2018）19-0061-02

Abstract： Taking a five-span prestressed concrete continuous beam bridge as the engineering context， the forming mechanism of the crack is analyzed by using ANSYS software in view of the longitudinal crack in construction. The results show that the layout of prestressing tendons concentrated on the webs produces large transverse tensile stresses on the top and bottom of the first section of the box girder， and finally leads to the formation of longitudinal cracks. At the same time， the local effect of prestressed Anchorage is easy to produce local longitudinal cracks. Based on the results of the analysis， the control measures and suggestions are given to prevent this kind of longitudinal force crack.

Keywords： bridge engineering； local effect； crack control； multi-span continuous box girder bridge； anchorage connector

引言

多跨预应力混凝土连续梁桥以其受力合理、行车舒适、造价经济等优势在国内外桥梁建设中得到广泛运用。调查研究表明，预应力摩擦损失和混凝土收缩徐变损失一般占总预应力损失的70%以上[1]。通常采用锚具连接器对预应力筋长束分段张拉的方法有效减小该摩擦损失。但在施工过程中出现的锚固局部效应，若在设计和施工中不予以重视，将可能对桥梁的结构安全性（尤其是施工过程的安全性）及使用耐久性产生十分不利的影响。

1 工程背景

某预应力混凝土连续箱梁桥（跨径布置为4×30m+20m），采用单箱单室截面，梁高1.8m，桥宽9.5m。全桥共划分为三个梁段施工，其中一号梁段为第三跨及向第二、四跨各延伸5.5m（自重弯矩零点附近）。主梁纵向预应力筋采用高强度低松弛钢绞线，在箱梁腹板共布置12束（17根/束）預应力筋，各梁段间通过周边悬挂挤压式锚具连接器将预应力筋连接成整体，预应力筋布置和关键截面如图1所示。

在桥梁施工过程中，一号梁段张拉预应力筋前，两端均未发现有任何肉眼可见裂缝；张拉完毕后，两端顶板、底板均出现3～5条顺桥向贯通板厚的裂缝，裂缝延伸2～3m，同时端部最下层外侧锚具连接器对应腹板外侧出现了长度约40cm的纵向微裂缝。

2 有限元模拟及裂缝成因分析

利用有限元分析软件ANSYS建立了三维实体模型，分析一号梁段梁端在预应力作用下的弹性受力特征，以掌握箱梁各部位的应力分布规律，分析裂缝形成的高风险区域。综合考虑桥梁的对称性、厚实的隐形横梁、裂缝出现区域的箱梁悬臂受力特点及圣维南原理，分析模型截取该桥一号梁段悬臂端部5.5m为分析对象，采用含中间节点的三维20节点结构实体单元SOLID95模拟箱梁结构，预应力荷载采用等效荷载法[2]施加，同时将梁端预应力作用区域网格细分。模型共划分为90927个节点，30615个单元，支点处边界条件按固结处理。

计算结果发现：梁端顶板、底板均受较大的横向拉应力，其中底板所受最大横向拉应力为8.94MPa，顶板最大横向拉应力为5.70MPa，最底层预应力筋对应腹板外侧距端部20cm位置受到6.43MPa竖向拉应力（应力云图如图2所示）。

分析结果表明，实桥裂缝开展位置（梁端顶板、底板和腹板）在预应力的作用下所受的应力都远超过规范C50混凝土抗拉强度标准值2.65MPa的限值。梁端顶板、底板混凝土因受到的横向拉应力远大于其实际抗拉强度，最终导致纵向受力裂缝的形成。同样，在集中预应力作用下，梁端锚固附近腹板外侧产生了较大的竖向拉应力，加之该处普通钢筋未得到加强，使得纵向受力裂缝得以开展。

3 裂缝危害分析及控制措施

3.1 纵向受力裂缝的对桥梁影响分析

前述计算分析表明，锚具连接器的锚固局部效应容易导致箱梁在施工过程中产生纵向受力裂缝，此裂缝在后续预应力筋张拉完成后，集中作用力将传递到接长的预应力筋上，进而转变为箱梁整体受力。但是，采用锚具连接器进行预应力张拉而引起的箱梁顶板、底板及腹板的纵向受力裂缝仍将降低桥梁使用寿命并危及桥梁结构安全。箱梁顶板纵向裂缝的存在使得桥面板横向刚度急剧减小，在汽车轮载疲劳荷载（尤其是超载车辆）的作用下极易加剧此纵向裂缝继续扩展，并诱发受力主筋的锈蚀，降低了桥梁的安全性和使用寿命。

综合上述分析，虽然此纵向受力裂缝对桥梁结构成桥状态整体受力影响不大，但其对施工过程安全性、桥面板结构安全性以及桥梁的耐久性将产生十分不利的影响，需对此裂缝引起高度重视，并采取有效措施控制和预防。

3.2 纵向受力裂缝的控制和预防措施

针对上述箱梁纵向受力裂缝，建议从以下几个方面加以控制和预防：

（1）优化预应力筋的布置形式，合理增设横向、竖向预应力筋。根据桥梁施工阶段受力特点，在箱梁顶板和底板合理增设横向预应力筋，在腹板处合理布设竖向预应力筋，并对其进行精细化分析与设计，可有效防止该纵向受力裂缝的发生。

（2）根据分析的受力薄弱部位，合理加强局部配筋及增大薄弱部位板件尺寸。如加强顶板、底板的横向受力钢筋的布置或增配钢筋骨架以辅助受力；在锚固附近布设细密的表层箍筋，以提高混凝土开裂荷载并有效控制裂缝宽度，同时加强锚下混凝土施工质量，确保预应力的有效扩散传递[3]。

（3）从增强桥梁耐久性方面。对已经成型的裂缝，为防止空气和水分透过裂缝而腐蚀受力钢筋，应当采用具有良好粘结性、密闭性、防水性和耐久性材料将裂缝封堵、填实，以延缓钢筋锈蚀进程，提高桥梁使用耐久性。

（4）从设计理念上解决该问题，如局部使用高性能材料[4]；调整连接端至桥墩位置，变更施工方法为简支转连续方法，不失为避免此类裂缝发生的有效途经。

4 结束语

通过分析锚具连接器工艺在工程实桥运用中出现的裂缝病害，表明临时锚固局部效应显著，梁端顶板、底板所受较大的横向拉应力，导致顺桥向贯通板厚的裂缝开展；同时锚固附近预应力筋较大的局部效应，导致腹板外侧纵向微裂缝开展。此纵向受力裂缝的出现将严重影响桥梁结构施工过程的安全性及运营期间的耐久性，需引起设计、施工人员的高度重视，并充分掌握桥梁全过程、整体和局部受力特点，从设计和施工角度采取有效措施，确保最不利工况受力安全、合理。

参考文献：

[1]程寿山，李兴庆，于刚勤，等.预应力连续梁桥预应力损失预测及测试方法研究[J].公路交通科技，2006，23（4）：71-73.

[2]邵旭東，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]赵勇，李东彬，程志军，等.采用铸造垫板的预应力混凝土锚固区传力性能试验[J].土木工程学报，2011，44（6）：47-54.

[4]《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014，27（5）：1-96.

[5]刘伟.连续桥梁施工控制的内容与方法[J].科技创新与应用，2012（12）：126.