某矮塔斜拉桥主梁施工期开裂原因及影响参数分析

李元兵

（上海同济建设工程质量检测站，上海市 200092）

某矮塔斜拉桥主梁施工期开裂原因及影响参数分析

李元兵

（上海同济建设工程质量检测站，上海市 200092）

某主跨88 m矮塔斜拉桥，在施工过程中出现了较为典型的主梁边室U形裂缝和顶板底面45°斜裂缝。为研究主梁施工期开裂原因和主要影响参数，采用空间分析方法对其进行了空间有限元施工仿真分析。研究结果表明：梁段结合面施工质量低劣、承载能力不足是造成梁体U形开裂的直接原因，局部应力水平较高是造成结合面处开裂的潜在原因；Z向应力过大是翼缘板底缘开裂的主要原因，翼缘处截面削弱是次要原因；顶板横向预应力过大、是造成顶板底面45°斜裂缝的主要原因；横向预应力对底板Z向正应力和顶板底缘主拉应力影响较大。

桥梁工程；矮塔斜拉桥；箱梁；开裂原因；影响参数；空间分析

0　引言

矮塔斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间的一种桥型，于20世纪90年代初在日本兴起，并得到了迅速发展。此桥型在国内的起步比较晚，2001年10月建成的漳州战备大桥是我国第一座矮塔斜拉桥［1，2］。矮塔斜拉桥当前的发展趋势是大跨度、宽桥幅。相对于斜拉桥，矮塔斜拉桥主梁的宽跨比一般较大，平面杆系分析很难反映桥梁实际受力状态，大跨单索面宽幅矮塔斜拉桥的空间效应尤为显著［3，4］，对桥梁空间受力效应的考虑不足往往导致梁体开裂事故的发生［5］。某主跨88 m的矮塔斜拉桥在施工过程中发生了梁体开裂的破坏事故，为了分析原因总结经验教训，促进这一桥型的健康发展，采用大型通用有限元软件ANSYS建立了精细的实体有限元模型，进行了施工仿真空间应力分析，探讨开裂产生的原因和主要的影响参数。

1　工程概况

本文背景工程是一座双塔单索面三跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，主桥的桥跨布置为39 m+88 m+ 38.9 m，主桥总长165.9 m，采用塔梁固结、墩顶设支座的结构形式［6］。主梁为单箱五室变截面预应力混凝土箱梁。箱梁支点梁高3.2 m，跨中梁高2.2 m，顶宽32 m，底宽26 m，挑臂3 m。斜拉索呈扇型布置，每个塔6对斜拉索，全桥共12对，通过圆弧管道穿过主塔锚固于主梁顶板。索塔为钢筋混凝土塔，高度12.45 m。塔身截面为矩形，横桥向宽2 m，顺桥宽2.4 m，兼顾桥梁美观，桥塔局部作适当修饰。0#块和1#块采用支架现浇，其他梁段采用挂篮分段悬臂浇筑。主桥的总体布置见图1，主梁标准断面见图2。

图1　总体布置图（单位：mm）

图2　主梁标准断面（单位：mm）

2　主梁开裂特征

在桥梁施工中首先出现了箱梁边腹板竖向裂缝、边室底板以及翼缘板底面的横向裂缝构成的主梁U形裂缝，随后在箱梁边室顶板底面又发现了45°斜裂缝。

2.1主梁边室U形裂缝

施工过程中最先出现了腹板竖向裂缝和边室底板横向裂缝，裂缝主要分布在节段浇筑结合面处，见图3，且裂缝沿纵桥向和横桥向对称分布。表1列出了北侧P10墩主梁腹板竖向裂缝情况，南侧P11墩处主梁腹板开裂情况与北侧相同。

图3　腹板外侧Ⅰ-Ⅰ截面竖向裂缝

表1　腹板竖向裂缝情况

2.2顶板底面45°斜裂缝

后续在3#块施工过程中，1#块和2#块边室顶板底面相继出现如图4所示的45°角斜裂缝，在平面上裂缝基本呈八字形对称分布，裂缝靠近1#块的两端施工接缝处。

图4　顶板底面45°斜裂缝分布（单位：mm）

3　空间应力分析

3.1空间分析模型

在平面杆系程序总体分析的基础上，进一步采用大型通用有限元程序ANSYS进行了空间仿真分析。由于施工期结构具有一定对称性，为减少计算分析的工作量，选取对应施工阶段结构1/4模型，在对称面分别施加对称约束。

施工阶段取至3#块浇筑完毕、张拉完1#斜拉索，图5（a）为对应施工阶段立面图，图中没有示出施工挂篮，图5（b）为ANSYS软件建立的结构有限元模型。箱梁实体采用SOLID65混凝土单元模拟，预应力钢束和斜拉索采用LINK8杆单元模拟，所有实体全部划分为六面体单元网格，共63984个单元。

图5　空间分析模型

计算中考虑了结构自重、预应力荷载、施工挂篮自重，以及斜拉索张拉力等荷载因素。荷载的施加按照施工阶段分阶段激活施加，以模拟施工过程中实际荷载工况。

计算参数取值如下：C50混凝土，弹性模量E取3.0×104M Pa，泊松比取0.167；预应力钢束，弹性模量E取1.95×105M Pa，预应力损失参照平面杆系整体分析结果取值。

3.2空间分析结果

由于施工裂缝主要为底板横向裂缝、腹板竖向裂缝和顶板45°斜裂缝，所以空间分析主要关注边室底板和边腹板的Z向（纵桥向）正应力和边室顶板底面第一主拉应力S1。空间分析结果如下：

（1）箱梁底板底面Z向正应力分布很不均匀，底板底面局部区域存在一定的拉应力，最大值达2.0 M Pa；Z向拉应力主要集中在1#块边室底板底面和0#块箱梁翼缘下侧，且拉应力贯穿1#块边室底板局部区域；次腹板内外侧均不存在拉应力，见图6。

（2）Ⅰ-Ⅰ截面边室底板底面最大Z向拉应力0.7 M Pa，翼缘板下缘最大Z向拉应力3.29 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面边室底板底面最大Z向拉应力1.58 M Pa，翼缘板下缘最大Z向拉应力0.8 M Pa，见图6。

图6　底板底面Z向正应力云图（单位：Pa）

（3）箱梁顶板底面局部存在较大的主拉应力，3.0 M Pa以上的主拉应力主要集中在1#块顶板靠近腹板的加腋处，应力集中处最大值达9.0 M Pa；顶板以受压为主，受拉部分主要是顶板底面表层，见图7。

（4）Ⅰ-Ⅰ截面顶板底的主拉应力最大值3.0 M Pa，翼缘板下缘主拉应力最大值4.53 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面顶板底的主拉应力最大值4.8 M Pa，翼缘板下缘主拉应力最大值3.5 M Pa，见图7。

分析结果表明：空间应力分布与主梁开裂特征基本吻合，两破坏截面处底板底缘Z向拉应力最大值1.58 M Pa，顶板底面开裂截面处主拉应力4.8 M Pa，（主）拉应力最大值都不在开裂截面处，而是在两开裂截面中间。

3.3影响参数研究

3.3.1设计参数影响

为研究设计参数对结构空间应力分布的影响，在原有设计空间分析的基础上选取以下几个主要设计参数作进一步空间分析：

（1）纵向预应力。由于主梁底缘出现了Z向拉应力，顶缘都是受压，主梁呈压弯受力状态，纵向预应力对改善Z向拉应力有一定的影响。

图7　顶板底面主拉应力S1云图（单位：Pa）

（2）横向预应力。由于桥面较宽，在设计中需要配置较多的横向预应力钢束以抵抗横向弯矩，由于泊松效应的影响，横向预应力易对纵向正应力产生不利影响［7］。

（3）斜拉索索力。索力是矮塔斜拉桥的重要影响参数之一，索力大小直接影响结构的整体受力特性［8］。

为比较以上三个参数的敏感程度，分析中宜采用同样的变化幅度。空间分析结果显示总体应力水平较高，为降低应力水平分别将三个设计参数值减半，其他参数不变建立三个独立的荷载工况。变更设计参数后的空间分析结果如下：

（1）横向预应力和斜拉索索力减半均能显著减小开裂截面处底板底面Z向拉应力，降低幅度达50%；纵向预应力减半开裂截面处底板底面Z向拉应力几乎不变，见图8。

（2）横向预应力减半能显著减小开裂截面处顶板板底面主拉应力S1，降低幅度达50%；纵向预应力减半和斜拉索索力减半开裂截面处顶板板底面主拉应力S1几乎不变，见图9。

参数分析结果表明：横向预应力和斜拉索索力对主梁底缘纵桥向正应力有较大影响，纵向预应力对主梁底缘纵桥向正应力影响不大；横向预应力对顶板底缘主拉应力影响较大，其他两个参数对顶板底缘主拉应力影响不大。

3.3.2施工因素影响

对于节段悬浇箱梁，结合面是其结构上的薄弱环节，施工中必须严格按照设计要求、保证施工质量，然而在施工现场发现该桥的结合面施工过程中却存在以下几个问题：

（1）在施工过程中，端面凿毛部分没有按照设计要求充分凿毛，尚未露出粗骨料；

（2）施工单位为了使梁体外观光滑，要求端面凿毛时截面边缘保留3 cm的光面不凿毛；

（3）箱梁结合面处混凝土振捣不充分，接缝处施工质量较差，甚至存在杂物和孔洞。

凿毛不充分结合面的连接强度得不到保证，光面部分几乎没有连接强度直接造成截面削弱。由于这些施工工艺上的缺陷，必然造成结合面的承载能力降低，结合面成为梁体的薄弱部位，一旦出现拉应力结合面处极易开裂。

其他施工原因同样会对施工缝处结构应力造成不利影响，比如：混凝土的配合比、混凝土的初凝时间、梁体混凝土的养护以及挂篮变形等。

图8　底板底面正应力分布对比

图9　顶板底面主拉应力S1分布对比

4　开裂原因分析

前述空间应力分析结果表明，拉应力分布情况与裂缝分布情况基本吻合，可以认为梁体开裂与应力分布存在一定的关系。综合空间应力分析和影响因素研究结果，可以得出梁体开裂的主要原因如下：

（1）梁段结合面施工质量低劣承载能力不足是造成梁体U形开裂的直接原因，局部应力水平较高是造成结合面处开裂的潜在原因。因为主梁开裂截面边室底板底面Z向拉应力最大值1.58 M Pa，小于C50混凝土的设计抗拉强度1.83 M Pa，不致于发生开裂，且次腹板不存在拉应力区也发现了竖向裂缝，这说明梁段结合面的抗拉强度不足以抵抗截面上的Z向拉应力。这也是竖向开裂没有发生在应力最大处的主要原因。

（2）Z向应力水平过大是翼缘板底缘开裂的主要原因，翼缘处截面削弱是次要原因。因为开裂截面处翼缘底面Z向拉应力最大值达3.29 M Pa，超过了C50混凝土的抗拉强度标准值2.65 M Pa，由于翼缘本身较薄，扣除外缘3 cm的光面后截面明显削弱，承载能力降低。

（3）顶板横向预应力过大、是造成顶板底面45°斜裂缝的主要原因。因为开裂截面处顶板底面的主拉应力S1达4.8 M Pa。空间分析结果和现场观测均表明顶板底面45°斜裂缝属于表层裂缝，裂缝深度不到板厚的10%。

（4）横向预应力对主梁底缘Z向正应力和顶板底缘主拉应力影响较大。

5　结论与建议

通过对该桥主梁施工期开裂原因和影响参数的分析研究，得出主要结论如下：

（1）梁段结合面施工质量低劣承载能力不足是造成梁体U形开裂的直接原因，局部应力水平较高是造成结合面处开裂的潜在原因；

（2）Z向应力水平过大是翼缘板底缘开裂的主要原因，翼缘处截面削弱是次要原因；

（3）顶板横向预应力过大、是造成顶板底面45°斜裂缝的主要原因，但该斜裂缝属于浅层裂纹。

对今后同类桥梁的设计与施工提出如下建议：

（1）宽幅矮塔斜拉桥空间效应显著，应考虑其施工过程的动态空间应力分布；

（2）横向预应力的设计也应考虑其空间效应，横向预应力不仅对顶板主拉应力有较大影响，对底板正应力也有较大影响；

（3）横隔板的设置可以改善主梁空间应力分布，横隔板间距较大的地方可以考虑加大腹板厚度以提高横向刚度；

（4）结合面的施工必须严格按照设计要求全截面充分凿毛至露出粗骨料，同时应保证混凝土的浇筑质量，以提高结合面的承载能力。

［1］陈从春，周海智，肖汝诚.矮塔斜拉桥研究的新进展［J］.世界桥梁，2006（1）:70-73.

［2］汤少青，蔡文生，陈亨锦.漳州战备大桥总体设计 ［J］.桥梁建设，2002（1）:1-4.

［3］陈从春，夏巨华，肖汝诚.独塔宽幅矮塔斜拉桥的设计与分析［J］.公路，2006（5）:57-60.

［4］熊文，涂雪，肖汝诚.独塔斜拉桥箱梁正应力不均匀分布规律研究［J］.公路与汽运，2007（5）:142-144.

［5］林国雄，秦顺全，朱华民.宁波招宝山大桥加固重建工程设计［J］.桥梁建设，2001（3）:18-20.

［6］李晓莉，肖汝诚.矮塔斜拉桥的力学行为分析与设计实践［J］.结构工程师，2005，21（4）:7-9.

［7］丁明波，张永亮，陈兴冲.部分斜拉桥横向应力试验及分析［J］.兰州交通大学学报，2003，22（3）:53-55.

［8］陈从春，肖汝诚.用索梁活载比界定矮塔斜拉桥的方法 ［J］.同济大学学报（自然科学版），2007，35（6）:724-727.

U448.11

A

1009-7716（2016）09-0151-05

2016-04-21

李元兵（1979-），男，湖北应城人，博士，工程师，从事桥梁工程检测与评估、施工监控及结构退化等技术研究工作。