连续梁施工期腹板斜裂缝成因分析和防治措施

高恩全 郑永卫 王丰平

(浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)

0 引言

预应力混凝土连续梁桥为常规桥梁，设计、施工经验丰富。采用平面杆系计算程序进行仿真分析能得到各个施工阶段的整体应力状态，计算可靠。同时对主跨超过百米的连续梁桥，一般引入了专业的第三方监控，对施工过程进行详细分析、全程监测，进一步保障了结构的安全。然而实际施工过程中箱梁却往往出现各种受力裂缝和非受力裂缝，出乎技术人员的意料。尤其是施工早期，如0号块浇筑等，裂缝产生时结构受力较小，按常规杆系理论分析难以得出有益的结论。大多数裂缝的产生是由于局部应力超出允许值，属于局部失效范畴，使得基于平截面假定的杆系理论分析手段失效。因此本类裂缝计算理论分析需要引入三维有限元的方法。

以某连续梁桥0号～2号节段为例，利用ANSYS软件建立三维有限元局部模，通过进行多工况下三维有限元分析，探求本桥0号～2号节段腹板出现斜裂缝的主要原因。根据计算结果提出了防治措施应用于后续节段，通过实测表明采取的措施合理有效，后续节段未出现腹板斜裂缝。

1 桥梁设计概况简介

本文以笔者设计的一座连续梁桥为背景，为(68+120+68)m预应力混凝土连续箱梁。主梁为单箱单室结构，箱顶全宽12.75 m，箱梁底宽6 m，悬臂板长3.375 m。主梁墩顶高7.2 m，跨中梁高3.2 m。该桥按节段施工，0号～1号梁段及合龙段采用满堂支架现浇，其余梁段悬臂浇筑，主梁设三向预应力。主梁1号～3号节段长3.0 m，腹板厚度0.75 m，节段梁高5.608 m～6.591 m。1 号节段根部及前端截面见图1，图2。

该桥满堂支架施工1号段后，虽未张拉预应力，却发现了沿预应力管道方向的腹板斜裂缝。同时在施工完2号节段时，边中跨节段腹板又发现了该类裂缝。该类裂缝竖向位于腹板中部，纵向位于新浇节段中间位置，沿预应力下弯管道开展，纵向未贯通整个节段，如图3所示。检测表明各条裂缝宽度均小于0.1 mm，长度约为1 m。

图1 1号节段根部截面

图2 1号节段前端截面

图3 裂缝位置示意图

2 腹板斜裂缝成因探讨

该桥裂缝出现在0号～2号节段，并且预应力张拉前就已开展。根据计算可知，该工况条件下，梁段应力水平低，除自重、预应力外无其他结构荷载。开裂情况无法用杆系理论解释，属于典型的局部空间受力问题，应力非规则区影响导致裂缝开展。针对该桥的情况，并结合国内外混凝土腹板裂缝的研究，本文认为引起腹板斜裂缝的可能原因[1]主要有以下几个:

1)自重、挂篮引起的空间效应。2)水化热的温差效应:混凝土初凝前由于处于流塑状态，先浇老混凝土对新浇节段变形约束较弱。随着龄期的增长，新老混凝土交界面约束加强，当新浇混凝土水化热引起的温度大幅降低时，便产生温度应力。当温度约束应力超过新浇混凝土强度时，便容易出现温度裂缝。3)不同混凝土龄期引起的不均匀收缩效应:其原理与水化热引起的温差效应类似，为老混凝土约束新混凝土变形引起的空间拉应力。4)纵向预应力张拉引起的空间应力效应:各向预应力的配置导致梁截面应力场复杂化，存在一些应力集中区域。平面计算不能准确的反映预应力效应对结构的影响。5)结构削弱、应力集中:结构削弱并不直接产生拉应力，但其引起应力集中，放大了其他外荷载效应。大量实例也证实裂缝往往首先产生在结构削弱处，如预应力管道周边、横隔板人孔处、施工预留孔四周等。

3 整体理论计算

3.1 平面分析模型

采用桥梁专业软件QJX程序，根据该桥施工图进行建模，对该桥进行施工过程及成桥状态分析。全桥采用二维平面模型。结构模型见图4。

图4 结构模型

3.2 施工仿真分析结果

分析表明斜裂缝出现在0节段～2节段浇筑工况，主梁受力较小，上缘最大拉应力－0.07 MPa，下缘最大拉应力－0.16 MPa，上下缘最大压应力2.9 MPa，满足规范要求，可见主应力均小于规范限值，梁体不会开裂。由杆系计算可知，平面杆系理论虽然广泛应用于工程实践，却不能反映复杂的空间应力和局部应力。

4 有限元精细化分析

4.1 计算模型

箱梁结构较为复杂，在进行有限元离散时选用适应能力较强的三维实体单元(Solid65)，预应力钢束采用空间杆单元模拟(Link8)，钢束与混凝土共同作用通过耦合节点自由度实现。为保证单元剖分准确、细密，单元采用映射网格划分，单元的最大边长不超过20 cm，全模型分得节点数47 600个，单元数36 649个，其中预应力单元3 572个。

4.2 荷载工况

根据2节中的分析，计算从上述几个角度出发，考察结构在各荷载作用下的空间应力分布情况。首先根据实际情况，考虑悬臂阶段在自重、挂篮等荷载以及预应力作用下结构的应力分布，计算结果见分析结果工况1(见表1)。随后，在工况1的基础上考虑不均匀收缩、水化热温差等效应，进行计算，计算结果见分析结果工况2。不均匀收缩和水化热温差效应均可采用对新浇筑节段进行降温的方法进行模拟，降温温差选为20℃[2]。

表1 工况列表

4.3 计算结果

4.3.1 工况1(自重、预应力等)

平面杆系计算显示纵向正应力较小，但对于实际空间结构，结构存在不容忽略的空间应力，局部应力必将超过杆系平均应力。空间分析表明，除了预应力锚固区应力集中处外，模型整体拉应力较小，但压应力值大于杆系计算。上缘压应力最大值为4.3 MPa。腹板主应力除锚固区外，均小于1 MPa。由于预应力锚固区普通钢筋构造强大，并由锚垫板分散局部应力，该处计算应力失真。因此，计算认为在常规施工荷载的作用下，主梁整体应力较小，主拉应力不足以使得腹板开裂。节段正应力及主应力图见图5，图6。

4.3.2 工况2(水化热、收缩效应)

从结构收缩效应和水化热温差效应的原理可知，两者在受力机理上存在一定的共性，均为老混凝土约束了新混凝土的变形，两者均可以采用将新浇混凝土单元进行降温来模拟。其中降温荷载包含了等效收缩温差和等效水化热温差两项。等效收缩温差按现行规范进行计算，主要考虑干燥收缩等。根据表2计算，收缩等效为温差效应后，降温荷载可取0.65℃。水化热温差由于水化热的作用温度升高，混凝土凝固后，当其降温时产生温度收缩，取降温为20℃。

图5 节段正应力图（单位：Pa）

图6 节段主应力图（单位：Pa）

表2 收缩应变计算表

根据上述计算，将等效温差荷载共计20.65℃代入有限元模型，计算得节段正应力云图和主应力矢量图如图7，图8所示。结构主应力分布与实际情况较为符合。

图7 节段主应力云图（单位：Pa）

4.3.3 分析总结

根据有限元分析可知，工况1计算的正应力和主应力均较小，小于混凝土开裂应力，由此可知在常规施工荷载作用下，不会出现该桥沿管道方向的腹板斜裂缝。进一步考虑收缩、水化热荷载后，计算主拉应力大幅增大，在新老节段处达3.0 MPa，超出混凝土强度。对比主拉应力云图和现场裂缝分布可知，主拉应力较大区域位于新浇节段近老节段处，且位于腹板中间区域，与裂缝分布一致。因此认为该类腹板斜裂缝产生的主要原因是水化热引起的温差应力。

图8 主应力矢量图

5 防治措施研究及应用

鉴于水化热是该桥出现腹板沿预应力管道方向斜裂缝的主要原因，本文提出了以降低施工阶段水化热效应、引导释放温差应力为主，经济、合理地加强临时构造措施为辅的防治措施。1)从材料入手，优化配合比。适当的掺加粉煤灰和矿物掺合料将降低水泥水化放热速度，缓解高性能混凝土水泥用量大及标号高引起的早期放热量，降低温度应力。2)混凝土的合理浇筑和养护。控制混凝土拆模时间，避免出现拆模后温度骤降的情况。进一步加强养护工作，控制混凝土温差，保持混凝土处于湿润状态，引导温差应力缓慢释放。养护措施主要有蒸汽养护、桥面覆盖草垫、帆布包裹混凝土表面等[3]。3)加强临时构造措施。通过调整箍筋间距和加大钢筋直径，加强结构抵抗水化热产生的临时温差应力的性能。该桥后续施工阶段加强了水化热控制和后期养护，实测表明后续3号～14号段均未出现腹板斜裂缝，验证了本文建议措施的合理性，进一步表明本文分析方法和分析结论是有效的、可信的。

6 结语

1)平面杆系程序分析结果不能给出箱梁开裂部位应力状态的确定性解答，使结构设计存在安全隐患。在桥梁设计过程中，应注重桥梁空间应力，特别是局部应力的精细化分析。2)水化热温差效应是本类裂缝开展的主要原因之一，应加强桥梁温度应力验算，特别是空间温度效应的影响分析。3)施工过程中应通过采用合理的配合比、限制水化热，并通过精心养护引导水化热温度缓慢释放，降低温差应力，保证施工早期结构的安全性。

[1] 沈旭东.支架现浇预应力混凝土箱梁开裂原因分析[A].第十八届全国桥梁学术会议论文集(下册)[C].2008.

[2] 张国志.混凝土早期开裂评价指标研究[J].混凝土，2008，287(5):90-93.

[3] 李俊升.混凝土箱梁水化热温度试验分析与裂缝控制[J].桥隧工程，2011(5):13-15.

[4] 陈小勇，马新锋.浅析混凝土桥梁裂缝处治的方法[J].山西建筑，2011，37(4):168-169.