预应力混凝土T梁早期竖向裂缝分析

徐亚飞，周建庭，陈增顺，唐 杰

(重庆交通大学土木与建筑学院)

混凝土材料为非均质的，结构承受拉力作用时，截面内各质点受力是不均匀的，存在大量不规则的应力集中点，部分应力集中点因应力首先达到混凝土抗拉强度极限值，引起局部变形，若配置钢筋量不足，便在应力集中处出现裂缝。因此当温度收缩在T梁中跨引起的水平法向应力σxmax超过了混凝土的抗拉强度，将出现第一条裂缝，一片梁分为两片，内力重分布，每片T梁又有自己的水平应力分布，且其图形完全相似，但其最大值由于长度减少了一半而减少，若该值仍然超过抗拉强度，则形成第二批裂缝，每片再分成两片，共四段梁三条裂缝。如此持续下去一直到最后那段梁中部最大水平应力小于或等于抗拉强度，裂缝便稳定，不再增加。因此预制T梁的裂缝“一再从中部开裂”是比较有规律的，且两边对称，但事实由于混凝土抗拉强度不均匀，而使裂缝部位有时不完全位于中部。

预应力混凝土T梁早期竖向裂缝分析

徐亚飞，周建庭，陈增顺，唐 杰

(重庆交通大学土木与建筑学院)

通过对现场的勘察以及裂缝状况研究与分析，得出了预应力混凝土T梁早期竖向裂缝产生的原因:混凝土的干缩不均匀;裂缝的“摸箍作用”;温度收缩应力较大;混凝土保温保湿不足。进一步做了有限元仿真分析，得出温度应力是裂缝产生的主要原因，但经裂缝指数分析，裂缝水平为表面裂缝，与实际相符。

早期竖向裂缝;温度收缩应力;阻力系数;裂缝指数

1 工程实例

1重庆市开县赵白路某大桥为5×40跨预应力混凝土简支梁桥，主梁采用预应力混凝土T梁形式。从2012年7月22日开始至8月5日，有5片T梁在浇筑后2～3 d(未张拉预应力)，在梁体腹板突然出现若干条细小裂缝。

2 裂缝状况

重庆市开县赵白路某大桥在预制T梁过程中，在T梁腹板发现若干条裂缝，裂缝均在翼缘与马蹄之间部位，部分为横隔板与T梁交界附近，方向为竖向。2012年8月8日，某检测中心对T梁进行了超声波检测，检测发现5-1#、5-5#梁各有一条裂缝;5-3#、5-4#、5-2#梁有两条裂缝。裂缝宽度为0.2～0.4 mm;裂缝深度为13～40 mm。

3 裂缝产生原因分析

3.1 干缩不均匀

早期裂缝一般主要是由构件的不均匀收缩引起的。收缩又与构件的尺寸有一定关系，较薄构件具有较大(较快)的收缩，较厚的具有较小的收缩。可以定量反映这一关系的是水力半径的倒数r，r越大收缩越大。

混凝土构件的水力半径倒数，即构件受包围截面的周长L(与大气接触的长度)与该周边所包围的截面面积F之比。

r=周边长/截面面积

r(腹板)=0.35;r(翼缘板)=0.11

因此具有较大收缩的腹板受到翼缘板的约束，腹板产生拉应力。沿纵向(即尺寸较大方向)拉应力较大，产生的裂缝与最大应力垂直，且呈竖向。由于收缩沿腹板面不均匀，外表面收缩大，里表面收缩小，故为表面性裂缝。

3.2 裂缝的“摸箍作用”

如钢筋混凝土梁的钢筋对混凝土的收缩起到了引起约束应力的作用，但是，当裂缝形成时，钢筋又起了约束裂缝形成和扩展的阻力作用，以此，裂缝距约束有一定距离，这种作用叫做“摸箍作用”°

具有连续式约束的结构物，如地基上的长墙，承受温度或收缩变化时，最大的约束应力在约束边，因此裂缝应该由约束边出发向上发展，但是，实际观察到的裂缝并不是完全由约束边出发，而是离约束边还有一定距离逐渐向上发展。还有在梁板结构中，板的四个边缘有加筋肋，楼板收缩变形时，受到肋的约束，最大约束应力应在肋的边缘，裂缝理应在肋边出现，但是，裂缝距离肋也保持一定距离，形成裂缝。

根据以上原理，工程预制T梁受到预制平台连续约束，最大的约束应力在约束边，即腹板的四个边缘有加筋的翼缘板、横隔板和扩大的马蹄约束。因在T梁养护过程中过早揭开草垫致使腹板收缩突变，受到翼缘板与马蹄的约束，最大约束应力应在翼缘板与马蹄的边缘，裂缝理应在边上出现，但是，裂缝距离翼缘板与马蹄保持一定距离，形成竖向裂缝。

3.3 温度收缩应力分析

其中:τ为结构物同地基接触面上的剪应力;Cx为比例系数，地基水平阻力系数，引起单位位移的剪应力;H为结构物高度;H(t，τ)为混凝土的松弛系数;α为混泥土线膨胀系数。

水平应力σx是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值在截面的中点x=0处，此处剪应力τ=0，即最大主应力。

混凝土材料为非均质的，结构承受拉力作用时，截面内各质点受力是不均匀的，存在大量不规则的应力集中点，部分应力集中点因应力首先达到混凝土抗拉强度极限值，引起局部变形，若配置钢筋量不足，便在应力集中处出现裂缝。因此当温度收缩在T梁中跨引起的水平法向应力σxmax超过了混凝土的抗拉强度，将出现第一条裂缝，一片梁分为两片，内力重分布，每片T梁又有自己的水平应力分布，且其图形完全相似，但其最大值由于长度减少了一半而减少，若该值仍然超过抗拉强度，则形成第二批裂缝，每片再分成两片，共四段梁三条裂缝。如此持续下去一直到最后那段梁中部最大水平应力小于或等于抗拉强度，裂缝便稳定，不再增加。因此预制T梁的裂缝“一再从中部开裂”是比较有规律的，且两边对称，但事实由于混凝土抗拉强度不均匀，而使裂缝部位有时不完全位于中部。

图1 温度收缩裂缝情况

从公式(3)可以看出在混凝土材料、结构尺寸一定的条件下，温度收缩应力仅由温度T和阻力系数Cx决定。不妨假定降温为40℃，从而得到温度收缩应力σxmax与阻力系数Cx的关系，如图2所示。

图2 温度应力随阻力系数的变化

从图2可以看出T梁的温度收缩应力急剧增加，一般的素混凝土的阻力系数为7×10-1N/mm3，而现场预制平台是在表面做了一定处理的素混凝土，在此取阻力系数为3×10-1N/mm3，混凝土 C50弹性模量 E 为 3.45×104MPa，α 取1×105，此时的温度收缩应力为2.95 MPa大于了混凝土的抗拉强度2.65 MPa，产生裂缝。若对预制平台一定滑动层处理，减小阻力系数到2×10-1N/mm3之内，此时温度收缩应力为2.2 MPa，若再对温度加以控制，如降温差控制在30℃内，温度应力则为1.7 MPa，即可控制裂缝的出现。

3.4 保温保湿不足

一种结构是粘性的还是脆性的，不但看材料的物质组成，还要看造成约束应力的作用时间(或荷载作用时间)比该结构的松弛周期长还是短。混凝土是具有流变特征的材料，如果尽力降低荷载速度(或降低约束变形变化速度)，那么通常认为的脆性混凝土也变得相当粘滞了，它的极限抗拉伸可以提高1～3倍，对控制裂缝十分有利。

但在本工程的裂缝调查过程中发现，在T梁拆模后，过早揭开草垫，并且当时为夏季温度高达40℃，T梁在短时间水分失去速度较快，这就相当于加快了约束变形变化的速度，而使本来就相对脆性的混凝土变得更脆化，以致裂缝出现。另外若在冬季施工，在养护过程中保温尤为重要，若温度降的较快，混凝土徐变性质得不到发挥，没有应力松弛效应，将呈弹性脆裂。

4 T梁水化热有限元分析

4.1 有限元模型建立

采用结构有限元分析软件Midas Civil，对40mT梁进行实体建模。参数取值如下:材料T梁C50混凝土，预制平台C30混凝土，材料抗压强度采用ACI标准;环境温度采用正弦函数，温度变化幅度T取5°，平均温度35℃。

4.2 裂缝指数

利用韩国混凝土规范中使用温度裂缝指数预测裂缝是否发生。

裂缝指数=混凝土抗拉强度/温度应力

防止裂缝发生时:1.5以上;限制裂缝发生时:1.2～1.5;限制有害裂缝发生时:0.7 ～1.2。

4.3 有限元计算结果分析

取中跨翼缘板、腹板及马蹄内部给一点，分别为N16429、N13604、N8645，其与容许抗拉强度对比如图4。

图3 T梁浇筑后40 h应力场

从图3、4可以看出在T梁浇筑两天左右出现最大温度应力，主要出现在中跨至1/4跨之间，最高可达到3.1 MPa，超过了混凝土的容许拉应力2.65 MPa，裂缝指数为0.85，为限制有害裂缝产生水平。中跨翼缘板、腹板、马蹄裂缝指数如表1，可以看出在T梁浇筑1～2 d内，因混凝土早期强度不足而水化热引起的温度应力较高，T梁易产生裂缝，且为表面裂缝。翼缘板与腹板受拉，应力较高，裂缝本应该在从翼缘板出现，但由于“摸箍作用”裂缝在距离翼缘板一定距离产生。

图4 温度应力与混凝土容许拉应力对比

表1 T梁裂缝指数

5 裂缝的处置及建议

经过以上分析，本工程的裂缝主要是温度、收缩引起的裂缝，并且是表面裂缝，裂缝深度都在混凝土保护层之内，且结构还未受力，裂缝为非结构性裂缝。另一方面钢筋混凝土结构由于荷载引起的裂缝与变形约束应力引起的裂缝有本质的区别，前者裂缝的出现与不断扩展引起内力增加，后者引起内力的不断松弛。因为是表面裂缝且预制T梁在张拉预应力后，预加力也是对腹板竖向裂缝也是有利的，本工程裂缝采取了“壁可法”裂缝修补，在后续施工中未发现问题，可作为类似工程问题借鉴。

为了防止以后工程发生类似问题，给出如下建议(1)设计方面:适当增加构造配筋，在横隔板和T梁接触处以及腹板中部加强分布钢筋，尽量采用小直径、密间距;设计中要考虑温度、收缩应力的影响°(2)材料方面:科学地选取材料配比，用较低的水灰比、水和水泥用量;严格控制沙石骨料的含泥量°(3)施工方面:采用保温隔热法对混凝土进行养护;控制降温速度;用草垫和塑料薄膜进行保温和保湿，不可过早揭开草垫;改变底模结构类型，设置滑动层和压缩层减小预制平台对预制梁的约束作用。

6 总结

通过以上分析可以得出，T梁竖向裂缝主要是由于混凝土收缩及温度应力而产生，归根结底的来说是T梁变形因收到约束而产生。如若减小预制平台的阻力系数，减小结构的变形约束;在横隔板与T梁以及T梁腹板中部配置一定的钢筋网，增强结构的强度等此类“放”与“抗”的裂缝控制方法，将会使工程裂缝问题出现的概率大大减小。

［1］钱永久，车惠民，余晓华.腹板上有竖向裂缝的钢筋混凝土T梁抗剪强度试验研究［J］.西南交通大学学报，1994，29(4)，385-389.

［2］姜增国，姜川，郭玉峰，黄涛.预应力混凝土T梁早期裂缝原因分析［J］.武汉工程大学学报，2012，34(5)，23-26.

［3］齐武生，藤燕宁.箱梁裂缝成因分析与“壁可”法加固技术应用［J］.公路交通技术，2004，12(6)，86-88.

［4］徐广泽.预制混凝土T型梁早期裂缝的成因与防治［J］.交通世界，2010，(1):113-114.

U445.7

C

1008-3383(2014)03-0095-02

2013-10-19

徐亚飞(1986-)，男，河南安阳人，硕士研究生，主要从事桥梁检测、评定、加固与结构监测方向的工作。

文献中关于地基上长墙温度收缩应力基本公式(1)、(2)