三向预应力混凝土斜拉桥箱梁裂缝研究

孙文火, 李平杰

(中交四航工程研究院有限公司，广州 510230)

预应力混凝土箱梁因其突出的优点：整体性好、抗扭刚度大、能够承受正负弯矩等，使其在现代桥梁中得到广泛运用[1-3]。从简单的简支梁桥和中小跨径的连续梁桥到复杂的大跨径斜拉桥和悬索桥，预应力混凝土箱梁都有着广阔的应用空间。

预应力混凝土箱梁在现代斜拉桥中得到广泛运用，特别是单索面的斜拉桥，较大的抗扭刚度有利于承受偏向荷载，且箱梁也有利于斜拉索和主梁的连接[4-5]。中国在用的许多预应力箱梁斜拉桥都取得不错的运营效果，如铜陵长江大桥、武汉长江二桥、鄂黄长江大桥、钱江二桥等。

在实际工程中，预应力混凝土箱梁在施工和运营中常出现各种不同性质的裂缝，裂缝问题成了困扰工程界的一个重大难题[6-8]。造成裂缝的原因很多，混凝土水化热常被认为是预应力箱梁施工裂缝的主要原因。许多学者对混凝土水化热做了大量的研究[9-12]。研究表明水化热确实是混凝土箱梁产生施工裂缝的一个重要原因。通过模拟现场实测温度场，对嘉陵江大桥进行了水化热分析。分析表明水化热确实是形成箱梁施工裂缝的一个原因，但是单纯的水化热又不足以使嘉陵江大桥腹板产生施工裂缝，这一结论在嘉陵江大桥施工中得到了证实：加强对箱梁施工时的养护并不能有效减少施工裂缝。因而，提出箱梁三向预应力钢筋张拉顺序成为嘉陵江大桥施工裂缝产生的另一个重要原因。

预应力混凝土箱梁一般在纵向、横向和竖向3个方向上均布置了预应力钢筋，在实际工程中，经常为了加快施工进度，将横向和竖向上的预应力钢筋滞后纵向1～2节段张拉，施工工艺的不同将会引起结构受力变化。基于嘉陵江大桥工程背景，旨在研究三向预应力钢筋张拉顺序对箱梁施工裂缝的影响，为同类预应力箱梁施工裂缝控制提供指导意义。

1 工程背景

都京港嘉陵江大桥主桥采用单索面矮塔斜拉结构，墩塔梁固结体系(图1)。桥跨布置为(122+220+122)m，主桥为双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，主桥全长464 m。主梁采用单箱三室大悬臂变截面预应力混凝土连续箱梁，支点梁高8.0 m，跨中梁高3.8 m，从中支点横梁起106.5 m 范围内梁高按二次抛物线变化。箱梁顶板宽度为31.5 m，悬臂板长为4.75 m，箱梁底板宽度为16.602～19.828 m，边室斜腹板与竖直面夹角为21°。

图1 嘉陵江大桥结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Jialing River Bridge

嘉陵江大桥在主梁施工中出现不同程度的裂缝，如图2所示。主梁0#块根部裂缝分布于边腹板外侧，起点为墩身与0#块连接部，左、右侧共计4道，呈斜向分布；每节段腹板均出现不同程度的斜向和水平裂缝；底板裂缝均为纵向裂缝，主要分布在底板底面中部，中腹板外侧。

图2 箱梁裂缝Fig.2 Crack diagram of box girder

2 水化热

2.1 0#块

嘉陵江大桥主梁采用悬臂施工，首先浇筑0#块，0#块混凝土强度高、体积大、截面尺寸大，水化热反应剧烈，内部会产生较大的温度，造成混凝土内外温差过大，可能出现温度裂缝。为分析水化热对0#块的影响，利用Midas FEA建立了0#块有限元模型，并选取了10个计算点，如图3所示。

图4给出了0#块在水化热作用下720 h时的温度图和第一主应力图。由图4可以看出，在720 h时0#块所有部位均已冷却至14 ℃(环境温度)，此时，混凝土水化热使得0#块产生3个次应力区，其中两个次应力区较大，位于0#块和墩身连接角处(左、右各一个)，另一个次应力区相对较小，位于两个大次应力区的中间(0#块和墩身连接处)。由于0#块浇筑在已经施工完毕的主墩上，混凝土水化热使得0#块产生受力变形，而主墩限制了0#块和墩身连接处的变形，从而使得此处产生较大的温度次应力。所以，在施工过程中要关注施工梁段和已施工主体的连接处，因为这里会产生较大的温度次应力。嘉陵江大桥新旧梁连接处腹板产生裂缝主要原因就是水化热产生的温度次应力。

图3 0#块水化热实体模型Fig.3 Hydration heat solid model of segment No.0

图4 0#块720 h计算图Fig.4 Calculation diagram at 720 h of segment No.0

由5可以看出，在混凝土水化热前期，0#块第一主应力逐渐增大，增幅最快的两个点(1、2节点)出现在0#块和墩身连接角处，随着混凝土水化热的进程，混泥土逐渐冷却，0#块大部分应力逐渐减小，整个过程中最大拉应力为1.8 MPa，而0#块和墩身连接角处两点(1、2节点)应力仍然逐渐增大，且维持较高的增长幅度，假如混凝土不开裂，这两处的拉应力可以达到20 MPa。所以，在水化热作用下，0#块和墩身连接角处将出现裂缝，这和嘉陵江大桥施工中0#块裂缝完全吻合。而由图4可知，0#块在水化热作用下还有一个较大的次应力区，在嘉陵江大桥0#块施工中并没有出现裂缝，这是由于0#块和墩身连接角处应力增长最快，混凝土首先开裂，释放了温度次应力，所以此处并没有出现裂缝，而温度次应力的释放进一步增加了角区裂缝的增长，所以嘉陵江大桥0#块在两个连接角区出现较大的裂缝。

图5 0#块第一主应力Fig.5 First principal stress diagram of segment No.0

2.2 一般梁段

嘉陵江大桥在主梁施工过程中，箱梁底板和腹板普遍出现各种裂缝，利用Midas FEA对箱梁进行水化热分析。为了解箱梁水化热过程中混凝土温度的变化，在20#墩8#块同一断面埋设4个应变计。现场埋设如图6所示，应变计埋于最底层钢筋之下，位于保护层内。

将模拟温度场和现场实测温度进行了对比，如图7所示，表明有限元模型有较好的温度场模拟效果。

在底板底面和腹板均选取10个计算点，如图8所示，分析混凝土水化热对箱梁底板和腹板受力的影响。

图6 应变计埋设布置示意图Fig.6 Schematic diagram of strain gauge layout

由图9可知，底板水化热最大拉应力出现在6 h附近，最大拉应力为2.3 MPa，应力变化趋势和温度场的变化基本一致，所以水化热是嘉陵江大桥底板裂缝产生的主要原因之一。

图10 边腹板水化热应力Fig.10 Stress of hydration heat of web

由图10可知，边腹板水化热最大拉应力出现在6 h附近，最大拉应力为1.1 MPa，应力变化趋势和温度场的变化基本一致，10节点拉应力在水化热后期基本维持在1 MPa，因为它位于腹板和底板连接处，也是水化热温度次应力区。因而，单独的水化热作用不能使得嘉陵江大桥施工中边腹板产生施工裂缝。

3 预应力钢筋张拉顺序

预应力混凝土箱梁桥在纵向、竖向和横向3个方向上均布置了预应力钢筋，但三者的张拉顺序在许多桥梁施工中并没有明确，这可能是预应力混凝土箱梁桥在施工中出现裂缝的原因之一。下面利用Midas FEA软件建立预应力混凝土箱梁有限元空间实体模型，研究三向预应力钢筋不同张拉顺序对结构受力特性的影响。

嘉陵江大桥预应力的张拉按照纵、横、竖的顺序进行预应力张拉，横向、竖向预应力滞后纵向应力1～2个节段后再张拉。这里选取3个不同的张拉顺序来分析竖向和横向预应力筋滞后对箱梁受力特性的影响，张拉顺序如表1所示。分别在底板、腹板和顶板上选取9、8、9个计算点，如图11所示。

表1 预应力筋不同张拉顺序Table 1 Different tension sequences of prestressed tendons

图11 第一应力计算点Fig.11 Calculation points of first principal stress

3.1 底板受力特性

首先分析三向预应力钢筋不同张拉顺序对底板受力的影响，拉应力是箱梁产生裂缝的原因，在整个施工过程中，底板的拉应力主要出现在底面，因而，下面分析底板底面的第一主拉应力，图12给出了3种工序下底板底面第一主应力。

由图12可知，可将底板底面受拉区域看成3部分：主受拉区(4、5、8节点)、次受拉区(1、2、3、6、9节点)和过度区(7)。当横、竖预应力筋滞后张拉时，主受拉区受力特性表现为：拉应力增长较快，在进行下一阶段施工时很快达到较大的拉应力，且提高了主受拉区的最终拉应力；次受拉区受力特性表现为：拉应力较工序一要小，越远离主受拉区的节点表现越明显，且最终状态拉应力较工序一要小；过渡区底板拉应力情况介于它们之间。在实际工程中，如果横、竖预应力筋滞后张拉，一定要关注底板主受拉区，尤其保证在进行下一节段施工时混凝土获得足够强度。这成为嘉陵江大桥底板施工裂缝的原因之一。

3.2 腹板受力特性

下面分析边腹板的第一主拉应力。图13给出了3种工序下边腹板第一主应力。

图12 底板应力(1～9节点)Fig.12 Stress of the base plate

图13 腹板应力(1～8节点)Fig.13 Stress of the web

由图13可知，横、竖预应力筋滞后张拉大大增大了腹板在施工过程中的拉应力，且滞后2个节段较滞后1个节段这种增大表现得更为明显，即横、竖预应力筋滞后张拉节段越多，腹板在施工中拉应力越大。但横、竖预应力筋滞后张拉最终状态腹板拉应力影响很小，尽管增大了腹板最终状态拉应力，但是这个增加量相对施工中腹板的拉应力很小，可以忽略不计，所以这里认为横、竖预应力筋滞后张拉不影响腹板最终状态拉应力。在实际工程中，如果采用横、竖预应力筋滞后张拉的施工工序，要特别关注腹板的受力，嘉陵江大桥在施工过程中腹板出现施工裂缝，横、竖预应力筋滞后1～2节段张拉是一个重要的原因。且6#梁体施工完张拉纵向预应力筋腹板的拉应力增大，这解释了嘉陵江大桥腹板裂缝在纵向预应力筋张拉后裂缝更为显著的现象。

3.3 顶板受力特性

下面分析顶板的第一主拉应力。图14给出了3种工序下顶板第一主应力。

图14 顶板应力(1～9节点)Fig.14 Stress of the top plate

由图14可知，类似底板，可将顶板受拉区域分为3部分：主受拉区(3、4、5、7节点)、次受拉区(1、2、6节点)和角区(8、9节点)。主受拉区和次受拉区处，横、竖预应力筋滞后张拉大大增大了顶板在施工过程中的拉应力，滞后2个节段较滞后1个节段这种增大表现得更为明显，且滞后张拉增大了顶板最终状态拉应力，而角区处(顶板和腹板连接处)拉应力表现出相反的特性。横、竖预应力筋滞后张拉不仅大大增大了主受拉区施工工程中的拉应力，且增大了其最终状态拉应力。相比主受拉区，次受拉区虽然表现出同样的特性，但此处最大拉应力出现在梁段施工(未进行预应力筋张拉)阶段，后续预应力筋的张拉未提高顶板的拉应力。因而，在实际工程中，如果采用横、竖预应力筋滞后张拉的施工工序，要特别关注顶板的主受拉区。

4 结论

三向预应力钢筋的张拉顺序成为嘉陵江大桥箱梁底板和腹板产生施工裂缝的关键原因之一。

(1) 嘉陵江大桥新旧梁连接处腹板产生裂缝主要原因是水化热产生的温度次应力。

(2)横、竖预应力筋滞后张拉使得进行下一阶段施工时，箱梁底板很快达到较大的拉应力，这是嘉陵江大桥底板裂缝的重要原因之一。

(3)单独的水化热作用不能使得箱梁腹板产生裂缝。横、竖预应力筋滞后张拉成为箱梁腹板出现不同程度裂缝的主要原因。

(4)横、竖预应力筋滞后张拉使得箱梁最终的拉应力有所增大，但是这个增量很小。因而，可以认为横、竖预应力筋滞后张拉并不会影响箱梁最终的结构受力状态。