牛 凱，肖勇剛，楊 根

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011;2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410114;3.天津市道路橋梁管理處，天津 300171)

0 引言

作為中等跨徑橋梁中常用的橋梁結(jié)構(gòu)之一，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有伸縮縫少、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順、抗震能力強、易于養(yǎng)護等優(yōu)點，經(jīng)過近幾十年對此類橋型的設(shè)計施工，施工工藝日益完善、施工質(zhì)量與工期均能得到有效控制。因此，在50～270 m跨度范圍內(nèi)此類橋型常是橋型方案比選的優(yōu)勝者。［1］

由于預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋，特別是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的大量興建，近年來，在施工階段或者營運階段普遍出現(xiàn)各種不同性質(zhì)不同類型的的裂縫問題。裂縫對橋梁性能有多方面的影響，一是對橋梁使用性能影響，開裂會導(dǎo)致橋梁剛度降低，跨中撓度超標，進而影響正常使用，嚴重的開裂問題還會導(dǎo)致橋梁的承載能力下降，對橋梁的安全性能產(chǎn)生影響;二是對橋梁耐久性及使用壽命產(chǎn)生影響，它會加速鋼筋銹蝕和混凝土的鈣化，進而導(dǎo)致裂縫擴展，使得橋梁耐久性降低，使用壽命下降。因此，本文針對關(guān)于箱梁裂縫的工程實例，通過觀測、計算以及理論分析，以及現(xiàn)場處理情況，確定裂縫發(fā)生的原因，并提出腹板斜裂縫修補措施，最后提出防治裂縫產(chǎn)生的設(shè)計建議，供同類橋梁設(shè)計參考。

1 工程背景

騮崗涌位于國道主干線廣州繞城高速公路南段，是珠江三角洲交通系統(tǒng)的重要組成部分，大橋跨越騮崗涌水道的一座特大型橋梁，橋梁中線與水流方向斜交225°，騮崗涌特大橋設(shè)計荷載為公路-I級。主橋左右幅的結(jié)構(gòu)形式均為75 m+130 m+75 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長280 m，全幅橋采用分離式單箱單室截面，箱梁頂板寬度為16.25 m，底板寬7.8 m。大橋采用“T”構(gòu)懸臂施工。施工到4號塊至8號塊時，腹板裂縫比較多，且長度比較長，裂縫方向為傾斜的，大致與管道方向平行。

2 箱梁局部應(yīng)力分析

為了直觀、定量的認識箱梁4#塊的受力情況，本文采用有限元分析程序ANSYS進行分析。4#塊長3.5 m，縱向頂板預(yù)應(yīng)力下彎束共有8根。用Solid95塊體單元模擬混凝土，Link8桿單元模擬縱向預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力束張拉力則是通過施加在Link8桿單元上的初應(yīng)變來模擬。建立模型時參數(shù)均采用設(shè)計值，箱梁混凝土采用 C55等級，泊松比是0.166 7，彈性模量是 3.55 ×104MPa，預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力是1 395 MPa，泊松比是0.3，彈性模量是1.95 ×105MPa。

因該橋4#塊的腹板斜裂縫是橫向預(yù)應(yīng)力束張拉完、縱向頂板預(yù)應(yīng)力束正在張拉時出現(xiàn)，而此時豎向預(yù)應(yīng)力束還未張拉、縱向頂板預(yù)應(yīng)力束還未灌漿。所以將4#塊縱向頂板預(yù)應(yīng)力束張拉完、灌漿前這一施工階段作為計算工況，圖1為0#～4#塊模型。

2.1 模型分析

根據(jù)ANSYS軟件有限元分析，得出4#塊各應(yīng)力云圖(圖2～圖5)(圖中:正號為拉應(yīng)力，負號為壓應(yīng)力，應(yīng)力單位為Pa)。

圖1 全橋有限元模型

圖2 箱梁4#塊主拉應(yīng)力云圖

圖3 箱梁4#塊縱向應(yīng)力云圖

圖4 箱梁4#塊橫向應(yīng)力云圖

圖5 箱梁4#塊豎向應(yīng)力云圖

由圖2～圖5，縱向頂板預(yù)應(yīng)力束被張拉完之后，進行腹板內(nèi)側(cè)的受力分析。在縱橋向，腹板內(nèi)側(cè)完全處于受壓狀態(tài)，大小約為-3.23～-9.68 MPa;主拉應(yīng)力較大的區(qū)域為靠近頂板側(cè)，約為1.84～3.48 MPa;拉應(yīng)力較小的區(qū)域為靠近底板側(cè)，約為1.03～1.84 MPa。在橫橋向，部分區(qū)域會出現(xiàn)拉應(yīng)力，但是數(shù)值很小，大部分區(qū)域以壓應(yīng)力為主，約為0～-1.93 MPa。在豎向，很大部分區(qū)域出現(xiàn)數(shù)值較大的拉應(yīng)力，數(shù)值約為1.10～2.22 MPa。存在應(yīng)力集中的位置為腹板與頂板交界處，拉應(yīng)力約為4.29 MPa。

我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)中規(guī)定:對于配有縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋及豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，由預(yù)加力和荷載短期效應(yīng)組合產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力［2］，即按式(1)計算，式(2)～式(4)為輔助公式:

雖處于非常復(fù)雜的空間受力狀態(tài)，箱梁橋在剪力、彎矩和扭矩共同作用下，腹板在進行受力分析時仍可以近似地簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)，腹板內(nèi)的橫向正應(yīng)力σz以及剪應(yīng)力τxz、τzy的數(shù)值都很小，可略去不計，此時腹板內(nèi)主要受到的力有:豎向正應(yīng)力σy、縱向正應(yīng)力σx和剪應(yīng)力τxy，因此，由于雙向應(yīng)力的作用，計算主應(yīng)力時可以采用下列公式:

按經(jīng)典梁理論(梁截面的周邊符合剛性假定，即截面的形狀在變形過程中保持不變)，腹板的σy=0，在腹板的上下緣剪應(yīng)力τ=0，中性軸附近剪應(yīng)力最大，有公式及經(jīng)典梁理論知，在腹板的中性軸附近主拉應(yīng)力最大，若主拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度，則腹板會產(chǎn)生斜裂縫?？梢酝ㄟ^配置合理的預(yù)應(yīng)力筋或適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施使各控制截面的主拉應(yīng)力符合設(shè)計規(guī)范要求來解決以上裂縫問題［3］。

2.2 裂縫成因分析

1)由4#塊腹板局部應(yīng)力分析得出結(jié)論，在橫橋向，腹板內(nèi)側(cè)中部分區(qū)域存在拉應(yīng)力，但是數(shù)值很小，大部分區(qū)域以壓應(yīng)力為主，所以橫向拉應(yīng)力過大并不是導(dǎo)致腹板斜裂縫產(chǎn)生的的主要原因［4］。

2)在9#塊施工時，在采用嚴格規(guī)范的施工操作，確保在張拉各預(yù)應(yīng)力束時均達到95%的設(shè)計標號，右幅由于進度較快，發(fā)現(xiàn)在張拉縱向頂板預(yù)應(yīng)力束時腹板依然有裂縫產(chǎn)生;施工左幅時，在波紋管定位精確的情況下，在箱梁腹板處增加了普通箍筋的數(shù)量，該塊段張拉各向預(yù)應(yīng)力完成后并沒有出現(xiàn)斜裂縫。以此推斷:在澆筑混凝土過程中波紋管可能因為受壓而導(dǎo)致變形，由最初的圓形變成扁形，使得腹板內(nèi)側(cè)相應(yīng)部位的混凝土保護層厚度減小，因為管道存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦該區(qū)域的混凝土的抗拉強度小于了主拉應(yīng)力，波紋管周圍的混凝土將會產(chǎn)生近似與管道平行的裂縫。

3)由局部應(yīng)力分析可得，在豎向的很大部分區(qū)域會出現(xiàn)數(shù)值較大的拉應(yīng)力，數(shù)值約為1.10～2.22 MPa，這種現(xiàn)象是由于位于縱向頂板中的鋼束根數(shù)比較多而且其下彎角度比較大，使得腹板中產(chǎn)生數(shù)值比較大的拉應(yīng)力。腹板內(nèi)靠近頂板處的主拉應(yīng)力約為1.84～3.48 MPa，而混凝土的抗拉強度僅為1.89 MPa。因為管道存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且主拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度，所以其附近的混凝土將會產(chǎn)生近似與管道平行的裂縫。

通過以上分析，腹板斜裂縫可能是由于波紋管變形及過大的縱向頂板鋼束張拉力所導(dǎo)致的。

3 裂縫修補措施

裂縫寬度小于0.2 mm時，若裂縫的長度、寬度不會再繼續(xù)發(fā)展，則此類裂縫屬于無害裂縫，不用進行加固處理，但為防止其吸收水分而出現(xiàn)鈣化現(xiàn)象，應(yīng)立即封閉［5］。4#～8#塊的斜裂縫中，寬度基本上都在0.2 mm以下，故只需要用環(huán)氧樹脂對其進行封閉處理。

4 結(jié)論

1)箱梁中出現(xiàn)與波紋管道近似平行的裂縫時，一般是由于縱向頂板的鋼束彎角比較大而且預(yù)應(yīng)力數(shù)值比較大以至于腹板局部產(chǎn)生過大的主拉應(yīng)力所致。

2)準確計算箱梁受力情況并合理布置預(yù)應(yīng)力筋。張拉預(yù)應(yīng)力筋時盡量避免由人為因素而造成的預(yù)應(yīng)力損失，張拉時要達到設(shè)計標號，并避免因預(yù)應(yīng)力損失過大而導(dǎo)致腹板開裂。

3)可以適當(dāng)?shù)脑诟拱宀y管周圍增加箍筋數(shù)量，以避免因塑料波紋管變形而導(dǎo)致腹板混凝土保護層厚度減小。

4)箱梁如出現(xiàn)裂縫，為防止其吸收水分而出現(xiàn)鈣化現(xiàn)象，應(yīng)立即封閉該裂縫，全橋合龍后進行修復(fù)處理。

要盡量避免箱梁裂縫的產(chǎn)生，必須在設(shè)計時嚴格依照國家規(guī)范、施工時進行全過程的施工監(jiān)控，確保施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。一旦發(fā)現(xiàn)問題及時查找原因并盡快處理解決，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

［1］邵旭東.橋梁工程(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］肖星星，李程華，萬重文，等.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋懸臂施工中腹板斜裂縫成因分析［J］.中外公路，2008，28(1):125-126.

［4］朱利明，劉 華.三腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁底板縱向拉裂縫病害原因分析及對策［J］.橋梁建設(shè)，2005(增刊):115-116.

［5］劉山洪，錢永久.大跨PC箱梁橋腹板裂縫的控制研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2005，24(4):19-21.