预应力变截面连续箱梁桥跨中横隔板裂缝成因分析

袁义华，吴 南

（1.中铁七局集团第四工程有限公司，湖北 武汉 430074；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075）

连续梁桥结构由于其在恒活载作用下内部受力合理、刚度大、整体性好、行车平稳等优点，在我国桥梁建设中广泛使用。但连续梁桥在修建及使用过程中普遍会出现各种形式的裂缝，在横隔板中较为显著。横隔板能够增加桥梁刚度，对其变形有着一定的限制作用，而横隔板的裂缝会影响桥梁的安全性。经调查发现，在用的大跨度预应力混凝土连续箱梁桥普遍在跨中横隔板板处出现裂缝，主要分布在人孔周围，数量较多，宽度不大[1]。裂缝的扩展可能导致截面刚度下降，挠度增大。而挠度的增大进一步导致结构受力偏离设计时的状态，截面受力更加不合理，裂缝会继续扩展，使桥梁逐渐丧失安全性[2]。基于横隔板出现的裂缝问题，文章通过MIDAS/CIVIL和ABAQUS等有限元软件对某座多跨连续梁桥进行有限元分析，观察跨中横隔板受力情况的变化，进而分析裂缝成因。

1 工程概况

文章以某大跨长联连续梁桥为工程背景，该桥主梁为单箱双室直腹板截面，分左右两幅布置，单幅桥宽16.9m，两幅之间箱梁顶板由2m宽湿接缝联系，主梁总宽33.8m。箱梁通过结构找纵、横坡，顶板横坡2%，底板水平，布置形式为双向六车道+非机动车道+人行道。桥梁跨中横断面如图1所示。在其建成投入使用后对其内部横隔板进行裂缝检测，发现跨中横隔板普遍存在裂缝。桥梁跨中横隔板横截面如图1所示。

2 有限元模拟

进行模拟计算时，先使用MIDAS CIVIL计算出在施加荷载作用下局部模型截面处的内力值，再将此内力值作为截面荷载加载到ABAQUS的实体模型截面上。根据圣维南原理，分布在结构某截面上的应力，当此截面距离荷载加载处较远时，其大小基本只与荷载的合力和合力矩有关。荷载在加载处的分布只会影响荷载作用区的应力分布，距离较远处的应力分布影响可以忽略。本研究中此截面距离跨中横隔板截面较远，其应力分布影响可以忽略[3]。

2.1 全桥模型

采用MIDAS CIVIL建立全桥模型，如图2所示。模型建立时所采用的主要材料参数如下：全桥采用C55混凝土；抗拉强度为2.74MPa；密度为2430kg/m3；弹性模量为35500MPa；泊松比为0.2；线膨胀系数为1×10-5；钢绞线抗拉强度为1860MPa。

2.2 局部模型及网格划分

由于桥梁整体结构较为庞大，文章截取其中一跨利用ABAQUS软件建立了局部实体模型。该局部模型采用C3D8R单元类型，共有28171个单元。ABAQUS局部模型主要参数如表1～表3所示。

图1 桥梁跨中横隔板横截面图（单位：mm）

图2 桥梁整体模型图

表1 混凝土损伤塑性主要参数表

表2 混凝土损伤塑性受压行为参数表（部分）

表3 混凝土损伤塑性受拉行为参数表（部分）

在对实体模型进行网格划分时，对于非重点研究的部分尽量减少划分的网格数，以提高计算效率。考虑到横隔板人孔周围会出现应力集中的现象，对孔边的网格做了加密处理。

3 成因分析

跨中横隔板普遍出现裂缝主要是因为其局部拉应力超过了混凝土抗拉强度。跨中横隔板一般厚度较小，容易出现裂缝。为了方便成桥之后的桥梁检修工作，一般的连续箱梁的横隔板都会设置人孔，人孔的存在会导致横隔板在桥梁使用过程中出现应力集中的情况，一旦局部拉应力超过混凝土抗拉强度就会导致裂缝出现。

横隔板裂缝主要是成桥前裂缝和成桥后裂缝，前者主要是由混凝土收缩、施工和养护不当等因素造成的，后者是由温度应力、车道偏载等荷载因素使横隔板局部拉应力过大超过导致的。文章中主要从温度应力和车道活载这两个可能导致裂缝形成的荷载因素进行有限元模拟分析，观察人孔周围拉应力分布情况，对于拉应力较大可能导致裂缝产生的工况考虑采用扩展有限元来模拟人孔周围裂缝的扩展情况[4]。

3.1 温度应力

在变截面连续箱梁桥中，温度应力是其中重要的一个因素。相关研究表明，温度应力对于混凝土桥梁裂缝的影响甚至超过了活载应力。桥梁在自然环境中，会受到来自太阳的辐射，又由于混凝土的热传导性能较差，导致桥梁表面产生明显的温升。而桥梁内部温度保持不变，这就使桥梁横截面产生了不均匀的温度场，进而产生了温度梯度[5]。除此之外，所处环境温度全年也在不停地发生变化。由冬季到夏季环境温度升高，这种温度变化使桥梁整体的温度都发生了变化。前者温度变化特点是作用于局部、分布不均匀，后者则是作用于整体、分布均匀[6]。

在进行温度应力模拟时考虑两种情况：（1）由于日照等情况造成桥梁顶底板出现温差。（2）外部环境温度变化导致的桥梁整体温度升高（或降低）。对于由日照造成的温差采用施加顶板温升来进行模拟，整体温升（温降）则通过系统温度的改变以实现。对于情况（1），对顶板分别进行温升5℃、10℃、15℃，观察人孔周围最大拉应力。对于情况（2），对模型施加整体温升10℃、20℃、30℃，观察人孔周围最大拉应力。顶板温升15℃的ABAQUS模拟计算云图如图3所示，整体温升30℃的ABAQUS模拟计算云图如图4所示。

图3 顶板温升15℃

图4 整体温升30℃

由ABAQUS模拟计算云图可以看出，顶板出现温升时在人孔上方存在很大的拉应力。顶板和底板之间存在的温差导致横隔板温度分布不均匀，由于上方变形大于下方变形，强制下方混凝土产生形变，因此混凝土产生了较大的拉应力。在顶板温升15℃的情况下，人孔周围局部最大拉应力达到2.78MPa，甚至超过了C55混凝土的抗拉强度（2.74MPa），可能会产生裂缝。整体温升使得横隔板也产生了一定的拉应力，由于横截面温度分布均匀，桥梁整体都发生了均匀的形变，因此产生的拉应力相对较小。在整体温升30℃的情况下人孔周围最大拉应力为1.51MPa，未超过混凝土抗拉强度，出现裂缝的可能性较低。

不同温升情况人孔周围最大拉应力如表4所示。与整体温升相比，随温度的升高，顶板温升情况下人孔周围最大拉应力要大很多，并且增加速度更快。

表4 不同温升情况人孔周围最大拉应力

3.2 车道活载

对于连续梁桥，车道活载也是可能导致横隔板产生裂缝的一个重要因素。尤其是当发生偏载时，会使桥梁横横截面产生一定的扭矩，进而增大横隔板横截面的横向拉应力，导致横隔板出现纵向裂缝。

进行有限元分析时主要对车道满载以及车道偏载进行模拟。通过模拟得出在车道满载时人孔周围最大拉应力为0.92MPa，而偏载时的最大拉应力为0.95MPa，二者产生的拉应力都较小，不足以引起横隔板裂缝。

3.3 其他因素

（1）混凝土收缩。文章中箱梁主体采用C55混凝土，属于高强混凝土，在拌制过程中会较普通混凝土产生更大的体积收缩，由于跨中横隔板较薄，模板可能会阻碍混凝土的收缩，容易造成裂缝的出现。

（2）振捣方式不当。施工人员在浇筑混凝土过程中若未采用适当的振捣方式，可能会使混凝土内部的结构发生改变，造成表面浮浆、分层离析的现象，使混凝土出现裂缝。

（3）浇筑时表面与内部产生温差。在浇筑完混凝土后由于大体积混凝土表面散热较快，而内部散热较慢，因此形成内外温差。混凝土内部承受压力而外部承受拉力，导致裂缝出现。

（4）混凝土拆模后养护不当。混凝土在拆除模板后需要在一定的温度和湿度条件下进行养护，若未保持适当的温度、湿度则会使水分蒸发过快，造成水泥水化不完全，进而影响混凝土的强度，导致混凝土在受力过程中出现裂缝。

4 横隔板裂缝防护措施

（1）掺入适量膨胀剂。在混凝土拌制过程中掺入适量的膨胀剂，可以在一定程度上抑制混凝土在水化过程中的体积收缩，有利于减少混凝土初期的收缩裂缝。

（2）桥梁设计时在跨中横隔板处设置适量的横向预应力钢筋并在人孔处加强钢筋布置。跨中横隔板在受力过程中出现裂缝主要是由于所受拉应力超过其混凝土抗拉强度，因此设置适量的预应力钢筋可以在一定程度上减少横隔板拉应力，降低裂缝出现的概率。

（3）对于已经产生的横隔板表面微裂缝，可以对其表面进行修补以及涂层处理，这样可以防止横隔板内部进一步发生病害，延长桥梁的使用寿命[7]。

（4）在施工过程中加强施工质量的监管，减少因混凝土振捣方式不当、养护不到位等施工因素造成的裂缝。

（5）在阳光较充足时，经常对桥面进行洒水等降温处理，以缩小顶底板温差，减小由温差导致的拉应力。

5 结束语

文章对预应力变截面连续箱梁桥跨中横隔板的裂缝成因进行了有限元分析，发现导致横隔板出现裂缝的原因主要是混凝土承受的拉应力超过了其自身抗拉强度。在分别施加顶板温升、整体温升以及车道活载的情况下，横隔板人孔上方均出现了拉应力集中的现象。三者之中顶板温升所造成的拉应力最大，车道活载最小。在顶板温升15℃的情况下局部拉应力达到2.78MPa，甚至超过了混凝土抗拉强度，导致混凝土被拉裂。此外还存在一些非荷载因素，如混凝土收缩、振捣及养护不当等。文章主要分析几种荷载因素单独作用下对跨中横隔板裂缝的影响，而实际情况通常是多种因素的耦合作用，其应力分布情况也会更为复杂。在桥梁设计时，可以在裂缝易出现的地方加强钢筋布置；在裂缝出现后要及时对裂缝进行加固处理，以减少裂缝带来的损害。