施工期预制小箱梁腹板端部开裂成因分析及试验研究

李广奇，南骁聪，宋晓东

（1.山东省混凝土材料与桥梁结构工程技术研究中心，山东 济南 250031；2.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002；3.东南大学 交通运输学院，江苏 南京 211189）

1 研究背景

近年来，我国高速公路新建和改扩建工程进入了快速发展时期，预制小箱梁结构由于施工简便，可有效缩短工期等优点，在高速公路桥梁建设中得到广泛应用。通过现场调查发现，预制小箱梁存在多种类型的裂缝，如腹板纵向裂缝、底板纵向裂缝、支点斜向裂缝和跨中竖向裂缝等。不同类型的裂缝，产生时间（施工期或运营期）、开裂成因及对结构的承载力和耐久性影响也不相同，裂缝分析和处置需仔细甄别，对症施治。其中，施工期的预制小箱梁在梁端腹板与翼缘交界处易出现斜向开裂现象，边梁尤为常见。

对预制小箱梁常见的开裂病害，薛达[1]等针对预应力混凝土小箱梁跨中裂缝的成因和加固方法进行了研究；马一帆[2]针对带有裂缝的预制小箱梁，运用有限元的方法进行了模拟分析，结合现场试验分析裂缝产生的原因及裂缝对结构性能的影响等。

2 工程概况

某高速公路新建项目，中等跨径桥梁采用30 m的简支装配式预应力混凝土小箱梁结构，小箱梁构造见图1。通过梁场实地调研发现，部分预制小箱梁支点腹板与翼缘交界处存在多条斜向裂缝，裂缝较短，走向均为向跨中抬头，此类现象在边梁中较为普遍，边梁长翼缘侧裂缝较多，短翼缘侧裂缝很少或基本没有。梁体已张拉完毕，均放置在预制台座上，除自重荷载外，无其他荷载作用。裂缝照片见图2。

图1 30 m预制小箱梁边梁构造

图2 30 m预制小箱梁端部腹板斜向裂缝

3 计算分析

（1）斜裂缝基本分布于长翼缘侧，翼缘与腹板交界处，考虑长翼缘的剪力滞效应比较明显，压应力由腹板传递到翼缘的过程中，受剪力滞后的影响，应力分布并不均匀，容易造成局部破坏；（2）对于放置在制梁台座上的小箱梁，基本无外力作用，根据裂缝的走向，延伸到梁端大体与钢束1位置吻合。

基于以上分析，根据预应力钢束张拉顺序和张拉力建立实体有限元模型见图3～图4。有限元模型中，混凝土梁采用线性完全积分的六面体单元（C3D8），预应力钢筋采用线性、两节点的桁架单元（T3D2）。混凝土梁与预应力钢筋之间采用嵌入约束方式，预应力筋张拉力采用降温法模拟。

图3 30 m预制小箱梁实体有限元模型

图4 实体有限元模型钢束布置

根据设计图纸，预应力钢束张拉顺序为1-3-2-5-4（钢束编号见图1（b）），张拉力为0.75fpk=1 395 MPa。根据张拉顺序建立有限元模型分级加载工况，计算结果见图5。各张拉工况下的主拉应力最大值及分布位置见表1。

图5 边梁张拉钢束1主拉应力分布

表1 不同张拉工况最大主拉应力分布统计

由图5和表1可以看出，在张拉完钢束1后：（1）边梁长翼缘侧的主拉应力较大，应力分布较为集中，短翼缘侧主拉应力较小，应力分布较为均匀；（2）长翼缘侧主拉应力较大的位置与腹板斜裂缝产生的位置较为吻合，呈现较强的相关性，其余张拉工况的主拉应力分布规律，与裂缝分布偏差较大。可以推断，此类腹板斜向裂缝的产生主要是由张拉钢束1引起：（1）与钢束1的分布位置有关；（2）与钢束1的张拉力有关，由于施工控制问题导致部分梁板实际张拉力大于设计张拉力。结合现场调查情况，此类裂缝只存在于部分梁板，而所有梁的钢束张拉顺序均一致，推测张拉顺序并非主导因素，关键控制因素是张拉力的大小。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-3362-2018）第6.3.1条[3]对于斜截面抗裂验算的规定，对于全预应力预制混凝土构件，斜截面混凝土主拉应力σtp应符合要求：

从表1可以看出，张拉钢束引起的最大主拉应力均超过了斜截面抗裂验算的设计限值，但实际上并不是在每个最大主拉应力的位置均产生了裂缝，梁板的实际斜截面抗裂能力未知。因此，虽然张拉力是裂缝产生的重要因素，但从理论计算角度上讨论张拉力的大小对裂缝产生的影响意义不大。

4 试验分析

为了判别腹板斜缝在外荷载作用下的发展变化情况，对小箱梁端部进行加载试验。根据公路I级车道荷载作用下的梁端最大剪力工况，试验荷载取值为503 kN。在典型腹板斜缝位置布置应变计（标距10 cm），加载过程中读取应变值，并换算成裂缝宽度变化。试验布置见图6。

图6 30 m预制小箱梁端部加载试验布置

加载试验结果见表2，可以看出，在梁端最大剪力工况下：（1）腹板斜缝宽度变化最大值为0.016 mm，相对于缝宽，变化量可忽略不计；（2）加载过程中应变无突变，说明裂缝处未产生应力集中现象。推断此类腹板斜缝对梁端抗剪承载力基本无影响。

表2 不同张拉工况最大主拉应力分布统计

5 结语

（1）梁端斜向开裂的产生与预应力钢束张拉顺序和张拉力大小有较强的相关性，最上缘钢束张拉影响最大，张拉力大小起主导作用，施工过程中应严格控制张拉力大小，避免此类裂缝产生；（2）梁端斜向开裂影响结构耐久性，对梁端抗剪承载力基本无影响；（3）梁端斜向开裂是否与张拉过早或混凝土质量差有关，现场调研未发现相关证据，有待于进一步验证。