预应力混凝土空心板梁底板纵向裂缝成因分析与防治措施

马书强

（中铁七局集团郑州工程有限公司，河南 郑州 450000）

引言

众所周知，预应力简支空心板梁具有结构简单、施工方便、吊装重量轻、经济等优点，成为公路、城市桥梁中最为常见的结构形式之一。由于混凝土自身的特性决定其抗拉强度远远低于抗压强度，混凝土结构出现裂缝是常见的。目前大量预应力混凝土空心板梁均存在底板纵向开裂的现象，裂缝多出现在沿底板布置预应力筋位置或空心板底板最薄弱处(如底板与腹板交接位置)。宽幅空心板梁为薄壁结构，一旦出现裂缝容易贯穿板厚，对结构的耐久性、受力状态都有不可忽视的影响。如开裂后梁体扭转刚度明显降低，使得主梁横向连接刚度明显减弱，荷载横向分布系数增大。影响的程度根据纵向裂缝开展的宽度、深度而各不相同。本文工程中，预应力空心板梁在预制养生阶段底板出现明显的纵向裂缝，故初步分析认为纵向裂缝很可能与设计、施工质量有关。

1 工程概况

1.1 结构形式及病害简介

工程结构，装配式先张法预应力混凝土简支变截面空心板梁，跨径为20m，板宽165.8cm，跨中截面：梁高80cm，底板、顶板、腹板厚均为10cm，内室总宽145.8cm。端部截面：梁高由80cm渐变为90cm，底板厚度渐变为20cm，渐变段长100cm。横向连接采用小铰缝，边板外侧无翼板。底板布置三束预应力，预应力钢绞线采用高强度低松驰钢绞线，强度为Ry'=1860Mpa,Ey=1.95×105Mpa。中板梁截面尺寸如图1所示：

图1 中板梁截面尺寸(单位：cm)

预制空心板梁存在多处裂缝，纵向裂缝为最多，纵向缝基本处在预应力束管道位置，最长的有近16m，裂缝宽度主要集中在0.10至0.54mm之间，局部宽度在2mm左右；同时存在横向裂缝和不规则裂缝，横向裂缝处在跨中和支点附近，裂缝宽度从0.05至0.20mm不等。

1.2 施工工艺及施工环境

准备好经校验的张拉机具，使千斤顶的张拉力作用线与钢绞线的轴线重合一致。钢绞线放置在锚固端，置于砼平台上，并用钢筋架起，防止钢绞线下垂。放置预应力失效隔离套管，等张拉完毕后，定位套管。现场施工采取预应力钢绞线整体同时张拉，调整使钢绞线初应力相同。张拉程序0-初应力-σ(持荷2min)。在混凝土拌制过程中，对混凝土坍落度随时进行检查，以保证混凝土和易性，拌制时间一般控制在1.5min左右，使用外加剂应适当增加搅拌时间。预制空心板梁混凝土浇筑分二次进行。首先浇筑底板，然后安装内膜，进行腹板和顶板浇筑。混凝土浇筑完毕初凝后，用麻袋覆盖；终凝后再洒水养护。保持混凝土面经常处于湿润状态，并连续养护7d。根据设计图纸要求，当试块强度达到设计强度的90%以后，方可进行放张。

经核实，发生开裂的预应力混凝土空心板的施工方法、养护条件、存放吊装过程均按照规范要求施工，其施工记录中并无特殊之处。而开裂的空心板梁施工时间多为夏季高温时期。由施工经验得知：夏季预制预应力空心板的预拱度明显比其他季节预制预应力空心板的预拱度要高。

分析认为：预应力空心板的预拱度与施加预应力的大小有关。夏季预制预应力空心板时，钢绞线在太阳暴晒下温度远远高于常温，按照施工规范要求：浇注混凝土时钢绞线温度不能过高。否则钢绞线在高温差的作用下，发生较大收缩产生超过设计值的张拉力，导致预应力空心板预拱度增大，空心板底板受横向力也增大，易于发生纵向开裂。

2 计算分析

2.1 模型建立

本模型模拟预制先张法预应力空心板梁，结构计算采用大型通用有限元分析软件ANSYS进行建模计算。建模尺寸按实际设计和施工1：1比例尺建立。选用整体式模型模拟钢筋混凝土，采用可以模拟开裂的solid65体单元模拟C40钢筋混凝土混凝土，采用link8杆单元模拟预应力钢绞线。由结构的对称性，取四分之一结构进行建模，共划分57420个单元，77610个节点，可保证计算精度。该模型有关应力计算采用单位为国际单位制，即力为N、长度为m、应力为Pa。

2.2 计算结果

参数选取及工况划分材料参数取值：弹性模量不考虑其发展过程，E取3.25×1010Pa、密度 ρ 取 2550kg/m3、泊松比取 0.2、线膨胀系数α取1.0×10-5。根据上述初步分析，建立模型进行仿真分析。分别建立如下荷载工况分析：

模型1：结构自重、预应力；模型2：结构自重、预应力、钢束降温10℃；模型3：结构自重、预应力、钢束降温20℃；模型4：结构自重、预应力、钢束降温30℃；模型5：结构自重、预应力、钢束降温40℃。

2.2.1 分析结果

(1)模型1结果分析底板应力等值线图如图2所示。

图2底板应力等值线图

图2 说明：在结构自重及预应力作用下，结构支点附近4m范围内混凝土拉应力超限，最大值为2.63Mpa。结构开裂位置均位于布置预应力钢束处，沿纵桥向延伸。开裂位置与实际工程开裂位置吻合，但长度较短，仅在结构自重及预应力作用下，不会产生较长裂缝。

（2）对钢束施加不同降温结果分析

当预应力钢束温度较高时，施工浇注混凝土后，钢束将降温收缩。故分别建立钢束不同温差模型，进行分析此温差对结构的影响。各模型计算得钢绞线最大拉应力增值如表1所示。温差-钢绞线最大拉应力增值关系曲线如图3所示。

图3 温差-钢绞线最大拉应力增值关系曲线

由上述图表可知：温差-钢绞线最大拉应力增值呈明显线形关系。钢绞线对温度影响敏感，降温收缩产生的拉力不容忽视，当温差达到40℃时，钢绞线最大拉应力为1470Mpa超出钢绞线抗拉强度设计值1395Mpa的5.4%；混凝土最大拉应力达到2.96Mpa，超出混凝土极限拉应力2.4Mpa。夏季施工过程中，一旦钢绞线在太阳下暴晒而未经处理，极易导致先张法预应力空心板开裂。

结语

预应力空心板的整体承载力取决于：预应力的大小、结构的刚度。其中结构刚度主要决定因素是腹板的高度。而底板的厚度虽然对结构整体承载力贡献不大，但是决定了底板局部受力的抗裂能力。虽然结构设计都能满足规范要求，但仍需要适当增大板厚，以便增大结构的安全系数，以避免结构发生局部破坏。施工预应力工艺，应严格按照施工规范要求操作。钢束受温度影响较大，应避免应用高温钢束施工。高温天气张拉时须采取措施，避免在温度差的作用下，钢绞线收缩很可能产生超过设计限值，致使空心板底板受横向劈裂力增大，易发生局部开裂。

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