预应力混凝土箱梁桥梁端腹板竖向裂缝成因分析

李 洁

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

某一城市高架桥竣工验收前的常规检测发现，多处箱梁梁端边腹板外侧存在1～2道竖向裂缝。这段有27联是预应力混凝土现浇箱梁，共发现腹板竖向裂缝13条，其中12条位于距梁端3～5.5 m区域，大部分在左右侧的外腹板同时存在。裂缝长度一般1.0～2.0 m，其中长1.5～2.0 m的裂缝延伸到底板，裂缝宽度0.12～0.15 mm。

本文以典型的3 m×30 m预应力混凝土连续箱梁桥为例，分析腹板竖向裂缝成因。箱梁采用满堂支架现浇法施工，纵向一次性浇筑，竖向上下分层，混凝土标号C50。箱梁宽25 m，宽跨比大，空间效应显著。为了缩短施工周期，各联箱梁往往需要同时施工，并要求施工顺序可根据现场条件调整。因此这类箱梁会采用腹板束在梁端附近上弯到顶板张拉的预应力布置方式。为减少纵向预应力与端横梁钢筋的冲突，张拉槽口位置布置到距梁端3 m处，这进一步加剧了空间效应。梁端处腹板厚度80 cm，水化热和腹板内外收缩差产生较大的表面拉应力。

1 空间分析

1.1 有限元模型

近年来，有一些关于预应力混凝土箱梁梁端开裂的研究成果[1-2]，但研究对空间效应的关注不足。如：文献[1]采用平面杆系模型，对预应力张拉过程进行计算模拟，认为梁端底板斜向裂缝是由于预应力张拉过程中应力变化所致，为非结构裂缝。文献[2]截取了边跨靠梁端11 m长节段进行局部的实体有限元分析，根据圣维南原理，节段长度及其远端约束不能满足等效的条件，影响结论的准确性。

本文采用作者开发的基于ANSYS平台开发的预应力混凝土箱梁精细化数值模拟系统，研究高架桥梁端空间效应。

1.2 计算结果

在结构重力、纵横向预应力、二期恒载、收缩徐变等不同作用下，箱梁应力分布规律各不相同。本文以成桥阶段箱梁应力分布为对象，研究综合作用下边跨跨中及梁端的应力分布特点。

成桥阶段箱梁及边跨跨中纵向应力特点如下（边跨跨中是指边跨0.4 L处断面）：

（1） 纵向正应力分布不均匀，剪力滞表现为整个顶底板纵向应力连续变化。

（2） 平截面假定不满足，各个腹板上的中性轴位置各不相同，箱梁悬臂剪力滞现象明显。跨中边腹板下缘压应力小于平均应力，边腹板较中腹板偏于不利。

成桥阶段梁端纵向应力特点如下（关键断面距梁端3.8 m）：

（1） 预应力存在一个应力扩散传递的过程，使得应力分布更不均匀。边腹板压应力远小于中腹板。

（2） 边腹板内外侧应力差异很大。最不利点位于腹板与底板的交点，拉应力约0.85 MPa。

（3） 梁端边腹板外侧预应力度的不足甚至出现拉应力，不能愈合腹板早期细小裂缝或限制其发展，最终产生腹板竖向裂缝的问题。

为改善梁端应力状态，将腹板束弯起点及锚固位置向梁端平移2.5 m，底板束按腹板数平均分配。调整预应力束布置后的成桥阶段梁端纵向应力结果如下（关键断面距梁端2.8～3.3 m）：

（1） 整个断面应力状态有所改善，各腹板应力水平差异减小，边腹板应力水平改善明显。最不利点压应力为1.86 MPa。

（2） 边腹板内外侧应力存在差异的现象仍然存在。

2 腹板混凝土的水化热及收缩应力

腹板竖向裂缝常见于普通钢筋混凝土箱梁，往往在拆模时就出现，裂缝宽度一般在以后数月内继续发展，然后稳定。主要影响因素有：①水化反应引起的腹板内部与表面的温差；②混凝土表面与内部收缩差。这些因素使得腹板表面处于受拉状态，一旦拉应力超过极限拉应力，混凝土就会开裂。极限拉应力、弹性模量是一个随着时间而变化的变量。另外，应力松弛也是早期混凝土的一大特点。

2.1 水化热

混凝土浇筑后，经历了剧烈的升温与缓慢降温两个过程。在腹板厚度方向，会存在水化热温度梯度。其实测数据差异很大，最大温差7～36 ℃。由于本桥的结构形式、施工方式、混凝土标号与文献[3]接近，因此按照文献取为21.6 ℃。

2.2 硬化收缩

混凝土硬化过程中，表面与内部存在收缩差，由于内外的相互约束，从而导致表面出现拉应力。文献[3]研究了单面干燥条件下混凝土的收缩变形分布特征，与本桥混凝土强度、配合比相似的试件距离表面不同深度处的收缩变形。腹板中心处数据是按照95%RH推导出来的。

2.3 估算结果

混凝土早期开裂原因分析以往定性多于定量。但定量估算是必要的，以确认是否需要采取适宜的控制措施。估算假定如下：

（1） 水化热作用下，弹模按照t=1 d取，温度梯度变化按照二次抛物线取。弹模的变化、应力松弛作用均不考虑。

（2） 将腹板混凝土收缩梯度拟合成幂函数形式。由于收缩早期发展快，弹模按照龄期t=3 d取。

水化热作用下，估算腹板外侧应力：

σ1= 2/3× E （1） ×α×△t=2/3×1.17×104×10-5×21.6= 1.68 MPa＞R （1） =1.47 MPa，开裂风险非常大。

内外收缩差产生的腹板外侧应力：

σ2=0.79×E （3） ×△ε（28）=0.79×2.20×104×196×10-6= 3.41 MPa

抗拉强度R（28） = 3.55 MPa

σ2＜R（28），拉应力接近抗拉强度。

表1 各工况计算结果 /MPa

根据估算结果，腹板外侧拉应力会超过当时的混凝土抗拉强度，从而导致混凝土发生开裂。早期的裂缝在混凝土收缩的影响下，可能会进一步发展。

因此，施工中需要针对结构特点，采取合适的措施防止早期裂缝的出现。对于可能发生早期裂缝的局部区域可增加普通钢筋以提高抗裂性能。

3 结语

（1） 对于空间效应明显的宽箱，建议采用精细、全面的模型进行分析。

（2） 设计人员应在保证结构受力合理的基础上，考虑施工的便捷性，并采用合适的分析手段优化预应力布置。

（3） 梁端边腹板外侧预应力度的不足使得这一区域成为类似普通钢筋混凝土箱梁的结构。梁端较厚的腹板加剧了水化热和收缩，当腹板外侧拉应力超过当时抗拉强度时，产生早期裂缝，形成了腹板竖向裂缝。

（4） 施工时需要根据结构特点，采取合适的措施防止早期裂缝的出现。