吳文輝 丁志凱

（1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司路達(dá)分公司 梅州 514779；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430052）

變截面連續(xù)箱梁具有以下特點(diǎn)：①截面抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)在施工與使用過程中都具有良好的穩(wěn)定性；②頂板和底板都具有較大的混凝土面積，能有效地抵抗正負(fù)彎矩，并能滿足配筋的要求，適用于產(chǎn)生正負(fù)彎矩的結(jié)構(gòu)；③適合于現(xiàn)代化施工方法的要求；④承重結(jié)構(gòu)與傳力結(jié)構(gòu)相結(jié)合［1］。所以，預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁得到了廣泛的應(yīng)用。

但由于受當(dāng)時(shí)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)條件的影響，早期設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋過于追求結(jié)構(gòu)最優(yōu)化、材料最省化，在設(shè)計(jì)中橋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)往往取規(guī)范的下限值，這就導(dǎo)致在現(xiàn)今交通量大量增加、重車比例提高的情況下，橋梁的裂縫病害頻頻出現(xiàn)，而且形式多樣。本文結(jié)合某預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋?qū)嵗?，僅對箱梁頂板出現(xiàn)的縱向裂縫及應(yīng)對措施進(jìn)行探討。

1 橋梁概況

該橋?yàn)?5m＋80m＋55m 預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁，單箱單室，橋面總寬11.75 m，橋梁交角為30°，橋面橫向布置為0.25m（左側(cè)護(hù)欄）＋2.5 m（人行道）＋8.50m（行車道）＋0.50m（右側(cè)護(hù)欄）。箱梁頂板寬11.55m，底板寬5.75m；跨中截面高2.5m，支點(diǎn)截面高4.5m；頂板厚25cm，腹板由支點(diǎn)厚60cm 漸變至跨中厚40cm，底板由支點(diǎn)厚60cm 漸變至跨中厚25cm。

該橋?yàn)槿蝾A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Φj15.24 mm 低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度Rby＝1860 MPa，彈性模量Ey＝1.95×105MPa，錨下控制張拉應(yīng)力σcon＝1395 MPa；預(yù)應(yīng)力鋼束管道均采用塑料波紋管。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用冷拉直徑32mmJL785 級精軋螺紋鋼筋（Rby＝750 MPa），錨下張拉控制力513kN。

橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級為：汽車－超20 級，掛－120，人群荷載：3.5kN／m2。

2 頂板裂縫病害概述

箱梁頂板共有88 條縱向裂縫，裂縫斷續(xù)貫通，總長約300m，最大寬度0.20mm。箱梁頂板縱向裂縫主要集中在邊跨支點(diǎn)至L／2，及中跨L／4～3L／4處頂板張拉有縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的梁高較矮的梁段，全橋基本對稱分布。在箱內(nèi)頂板兩側(cè)設(shè)置有縱向預(yù)應(yīng)力的區(qū)域裂縫較長、較多，而在箱梁頂板中間區(qū)域裂縫相對較短、較少，見圖1。

圖1 箱梁頂板裂縫分布示意圖（單位：m）

3 箱梁頂板橫向仿真分析

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

采用MIDAS CIVIL對箱梁跨中及支點(diǎn)截面進(jìn)行橫向有限元計(jì)算。橫向計(jì)算時(shí)，箱梁頂板按照部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件驗(yàn)算，未考慮縱向預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的泊松效應(yīng)。箱梁橫向計(jì)算模型見圖2，圖3。

圖2 箱梁跨中截面計(jì)算模型

圖3 箱梁支點(diǎn)截面計(jì)算模型

箱梁頂板橫向采用3Φj15.24 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，斜向30°折線形布置，設(shè)置間距50cm。汽車荷載的分布輪載根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023－85）（以下簡稱《公橋規(guī)》（85））第3.1.4條計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際交通量及車輛超載情況，將其乘以1.87倍超載放大系數(shù)。梯度溫度作用的豎向日照溫差參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60－2004）第4.3.10條取值。驗(yàn)算荷載組合參照《公橋規(guī)》（85）的荷載組合II選取，即恒載＋車輛荷載后軸在計(jì)算梁段的等效分布荷載＋梯度溫度荷載。

3.2 頂板下緣截面正拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在頂板驗(yàn)算荷載組合作用下，箱梁跨中及支點(diǎn)截面頂板下緣應(yīng)力包絡(luò)圖見圖4、圖5，最大正拉應(yīng)力與規(guī)范限值對比見表1。

圖4 箱梁跨中截面頂板下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 箱梁支點(diǎn)截面頂板下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

表1 最大正拉應(yīng)力與規(guī)范限值對比表 MPa

由以上計(jì)算結(jié)果可見，在考慮車輛軸重超重的驗(yàn)算荷載的作用下，由于箱梁頂板預(yù)應(yīng)力鋼絞線的折線布置，從頂板跨中至梗腋正拉應(yīng)力逐漸產(chǎn)生并增大，在梗腋部位拉應(yīng)力達(dá)到了最大值。這與頂板縱向裂縫在箱內(nèi)頂板兩側(cè)分布較長較多的病害一致。

同時(shí)，對比跨中和支點(diǎn)截面的計(jì)算結(jié)果可見，由于支點(diǎn)截面腹板剛度的增大，對頂板在荷載作用下的變形起到了一定的限制作用，使頂板下緣拉應(yīng)力得到了一定程度的減小。這與頂板裂縫產(chǎn)生于箱梁梁高較矮梁段的病害分布一致。

4 裂縫成因分析

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜，且多為各種因素耦合。根據(jù)現(xiàn)場檢測情況和MIDAS 仿真分析，箱梁裂縫成因主要有如下幾個(gè)方面。

（1）車輛超重。根據(jù)箱梁頂板的檢算結(jié)果，箱梁中跨跨中和支點(diǎn)梁段，在考慮汽車軸重超重狀態(tài)時(shí)，箱梁跨中梁段的頂板下緣，在腹板間跨中兩側(cè)至局部梗腋區(qū)域產(chǎn)生了超過規(guī)范限值的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到3.11 MPa，甚至超過了C50混凝土的極限抗拉強(qiáng)度3.0 MPa，從而會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫；箱梁支點(diǎn)梁段的頂板下緣，在箱梁腹板間頂板靠人行道側(cè)跨中附近至梗腋范圍區(qū)域產(chǎn)生了超過規(guī)范限值的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.73 MPa，雖然超過了規(guī)范的C50混凝土拉應(yīng)力容許值2.7 MPa，但未超過C50混凝土的極限抗拉強(qiáng)度3.0 MPa，所以不會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫。這和現(xiàn)場觀測的裂縫分布是一致的。因此，車輛超重是該橋箱梁頂板產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因。

（2）縱向預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的橫向應(yīng)力［2］。由于邊跨現(xiàn)澆段和合龍段頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束還未張拉，箱梁頂板在較強(qiáng)的縱向預(yù)壓應(yīng)力作用下，頂板會(huì)發(fā)生泊松比效應(yīng)，產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，超過了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，從而產(chǎn)生了縱向裂縫。

（3）先澆段與后澆段齡期差導(dǎo)致了橫向收縮應(yīng)力的發(fā)生［3］?；炷恋氖湛s與齡期有密切的關(guān)系，凝結(jié)初期收縮變形發(fā)展很快，2周可以完成全部收縮量的25%，1個(gè)月可完成50%。該橋在懸臂施工過程中，每一懸澆段的施工周期為10d，即相鄰先澆段與后澆段的混凝土齡期相差為10d。因此由于齡期差，后澆段混凝土凝結(jié)初期的收縮量會(huì)遠(yuǎn)大于先澆段混凝土的收縮量。后澆段混凝土的橫向收縮必然會(huì)受到先澆段的限制，產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，且先澆段對后澆段混凝土的約束向遠(yuǎn)離先澆段的自由端方向減弱，橫向拉應(yīng)力也會(huì)隨之逐漸減小。這也是裂縫從靠近先澆段處產(chǎn)生，向自由端方向逐漸減小的主要原因。而后澆段混凝土的縱向收縮是自由的，不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，也就不會(huì)因此產(chǎn)生橫向裂縫。

合龍段無論是邊跨還是中跨，施工準(zhǔn)備時(shí)間均比普通懸澆段長，特別是跨中合龍段。該橋跨中合龍段與相鄰的懸澆段混凝土齡期相差50d，合龍段混凝土開始凝結(jié)時(shí)，先澆段的混凝土收縮已經(jīng)完成了約50%。因此，由于齡期差引起的混凝土收縮差異更大，相應(yīng)的收縮應(yīng)力也會(huì)更大，這也是導(dǎo)致合龍段附近混凝土產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因之一。

（4）頂板較薄。大量的縱向預(yù)應(yīng)力孔道削弱了頂板的有效面積。該橋跨中附近箱梁頂板厚度僅為25cm，而沿頂板縱向預(yù)留了大量的預(yù)應(yīng)力孔道。雖然在施工過程中采用了抽真空壓漿，但也很難做到壓漿完全飽滿。即使壓漿很飽滿，其抗拉壓強(qiáng)度也無法和梁體本身所要求的C50 混凝土相比。因此，較薄的頂板上布置的大量縱向預(yù)應(yīng)力孔道嚴(yán)重削弱了頂板有效面積，這也是造成頂板容易出現(xiàn)縱向裂縫的主要原因之一。

（5）施工方面的原因［4］?，F(xiàn)場振搗混凝土?xí)r，振搗不當(dāng)，漏振、過振或振搗棒抽拔過快，均會(huì)影響混凝土的密實(shí)性和均勻性，誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生；高空澆筑混凝土，風(fēng)速過大，烈日暴曬，混凝土收縮值大；現(xiàn)場氣溫太低，水化熱造成混凝土內(nèi)部與表面溫差過大，導(dǎo)致混凝土表面開裂；現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)措施不到位，灑水不及時(shí)，混凝土早期脫水，引起收縮裂縫。雖然施工和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)造成混凝土表面開裂，但不是造成該橋頂板縱向裂縫的主要原因。

5 結(jié)語

箱梁頂板縱向裂縫的產(chǎn)生受多種因素的影響，既有設(shè)計(jì)方面的原因，也有施工工藝方面的原因，更有交通車輛軸重超載方面的原因。因此，為了有效控制箱梁頂板縱向裂縫，需要設(shè)計(jì)、施工及交通管理等3方面共同配合。

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