劉伯奇（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋頂板裂縫成因分析

劉伯奇
（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

廣州一現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋在拆模過程中發(fā)現(xiàn)翼板及頂板的底面存在橫向裂縫。通過收集施工資料、外觀檢測、實(shí)體檢測等工作掌握了橫向裂縫的形態(tài)、分布情況、裂縫寬度等；分析了產(chǎn)生裂縫的原因及梁體是否滿足后期運(yùn)營荷載的使用要求。根據(jù)檢測結(jié)果可知，溫度收縮差對裂縫產(chǎn)生的影響較大；橫向裂縫對翼緣板及頂板的橫向局部受力有較大影響，梁體頂板根部截面、跨中截面承載力略有不足。同時(shí)給出了處置建議，提高了承載能力和通行能力。

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁；有限元分析；裂縫；溫度收縮差；齡期收縮差

1　工程概況

廣州市新建新化線快速路上一橋位于半徑為130.5 m的圓曲線及緩和曲線上，為4×27.873 m連續(xù)等高截面箱梁橋，橋面布置為（0.5+9+0.5）m。箱梁高1.6 m，頂板寬 9.7 m，底板寬 5.45 m，頂板厚0.25 m，底板厚0.25 m，斜腹板厚0.5 m，在墩頂附近頂板和底板加厚至0.45 m，斜腹板加厚至0.65 m。全橋在各跨跨中及墩頂位置各設(shè)置一道橫隔板，跨中橫隔板厚0.2 m，墩頂橫隔板厚1.8 m。箱梁采用C50混凝土。橋面設(shè)12 cm厚C40防水混凝土鋪裝，采用滿堂支架現(xiàn)澆工藝。

在拆模過程中，發(fā)現(xiàn)箱梁頂板及翼緣板處存在沿橫橋向的裂縫。為了確保橋梁后期的營運(yùn)安全和耐久性，主要從2個(gè)方面開展工作：一是對箱梁進(jìn)行檢測，確定裂縫對結(jié)構(gòu)安全的影響程度，以采取相應(yīng)的處理措施；二是對裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并對后期同類橋梁的施工提出合理化建議，避免后續(xù)施工橋跨出現(xiàn)類似問題。

2　既有裂縫檢測

既有裂縫的檢測分為外觀檢測和實(shí)體檢測。通過外觀檢測了解裂縫的形態(tài)及分布情況，為分析裂縫產(chǎn)生原因及評估橋梁狀態(tài)提供依據(jù)。通過實(shí)體檢測了解裂縫的深度、混凝土的強(qiáng)度，分析翼板鋼筋的分布情況是否與圖紙相符。

2.1外觀檢測

通過對梁體翼緣板與箱內(nèi)頂板的檢測發(fā)現(xiàn)，該橋各跨翼緣板均存在較多的橫向裂縫，裂縫以0.5～1 m的間距分布于翼緣板的底面，裂縫形態(tài)呈棗核狀，中間最大裂縫寬度達(dá)0.32 mm。部分底面裂縫貫通翼緣板，對應(yīng)翼緣板頂面也存在細(xì)小裂紋，下雨時(shí)有滲水現(xiàn)象。箱內(nèi)頂板存在較多的橫向裂縫，部分裂縫在施工進(jìn)入口處斜向開裂，一些裂縫橫向貫通箱內(nèi)頂板，最大裂縫寬度為0.2 mm。

經(jīng)過現(xiàn)場量測發(fā)現(xiàn)，翼緣板裂縫與箱內(nèi)頂板裂縫有較好的對應(yīng)關(guān)系，以第3跨為例，裂縫分布情況見圖1。

2.2實(shí)體檢測

1）裂縫深度檢測

采用取芯的方法，選取4個(gè)翼緣板典型裂縫部位及2個(gè)箱內(nèi)頂板典型裂縫部位抽取芯樣，直觀地檢測裂縫的深度，了解裂縫是否貫穿翼緣板。

根據(jù)取樣結(jié)果可知，4個(gè)翼緣板典型裂縫部位的芯樣均已貫穿翼緣板。2個(gè)箱內(nèi)頂板典型裂縫部位的芯樣裂縫深度約為2/3頂板厚度，均未貫穿頂板。

2）混凝土強(qiáng)度檢測

對現(xiàn)澆箱梁翼緣板進(jìn)行現(xiàn)場取芯，并委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對芯樣進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度的檢測，檢測結(jié)果顯示3組芯樣混凝土強(qiáng)度推定值分別為55.7，63.3，61.0 MPa，均滿足設(shè)計(jì)C50混凝土強(qiáng)度要求。

3）鋼筋探測

在翼緣板底面隨機(jī)選取8個(gè)測區(qū)，探測翼板鋼筋的間距及分布情況。該橋翼緣板底面縱橫向鋼筋間距設(shè)計(jì)值為15 cm，根據(jù)探測結(jié)果可知，8個(gè)測區(qū)縱橫向鋼筋分布情況基本滿足設(shè)計(jì)要求，部分縱橫向鋼筋間距測試值在設(shè)計(jì)值±3 cm范圍內(nèi)波動(dòng)，與施工鋼筋定位偏差有關(guān)。

圖1　第3跨翼緣板與箱內(nèi)頂板裂縫示意（裂縫長度單位：cm；裂縫寬度單位：mm）

3　裂縫產(chǎn)生原因及影響分析

3.1施工方面

1）混凝土澆筑過程

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁分2次澆筑，第1次澆筑底板及腹板，時(shí)間為2010年7月18日7：30—18：30，當(dāng)天氣溫24～33℃；第2次澆筑頂板及翼緣板，澆筑時(shí)間為2010年7月31日9：00—19：00，當(dāng)天氣溫27～34℃。

梁體混凝土澆筑均在溫度較高的時(shí)間實(shí)施，其初凝時(shí)間在12 h左右，初凝時(shí)正好是一天溫度最低的時(shí)間，若養(yǎng)護(hù)不良，極易產(chǎn)生裂縫。

當(dāng)澆筑頂板和翼緣板混凝土?xí)r，已澆筑的底板和腹板對其形成較強(qiáng)的約束，若養(yǎng)護(hù)不良，在溫度收縮及混凝土齡期收縮均較差的情況下，第2次澆筑的翼緣板和頂板極易出現(xiàn)裂縫。

2）混凝土配合比

根據(jù)施工資料，通過計(jì)算和對比，梁體混凝土配合比與設(shè)計(jì)配合比不符，主要為用水量不準(zhǔn)、砂率偏高，添加了設(shè)計(jì)中未有的粉煤灰。

3.2溫度和齡期對裂縫產(chǎn)生的影響

通過ANSYS建立有限元實(shí)體模型，分別考慮頂板（包括翼緣板）與腹板的溫度收縮差、不同混凝土齡期收縮差對裂縫產(chǎn)生的影響；分析產(chǎn)生裂縫后的翼緣板及頂板的橫向受力是否滿足規(guī)范要求。

3.2.1溫度收縮差分析

根據(jù)橋梁的實(shí)際狀況，采用實(shí)體單元Solid65建立全橋有限元分析模型，分別考慮滿堂支架及模板的約束作用，按頂板及翼緣板降溫10℃計(jì)算。

1）工況1

考慮滿堂支架對主梁的支撐作用（僅考慮豎向支撐），對上述所建立的有限元模型底板所有的單元施加豎向約束。通過計(jì)算得到降溫10℃時(shí)翼緣板及頂板沿順橋向應(yīng)力云圖，見圖2。

圖2　降溫10℃時(shí)翼緣板及頂板應(yīng)力云圖（工況1）（單位：Pa）

由圖2可知，當(dāng)頂板及翼緣板降溫10℃時(shí)，翼緣板因降溫所產(chǎn)生的順橋方向最大拉應(yīng)力為1.68 MPa，順橋方向最大應(yīng)變?yōu)?7.5×10-6；頂板因降溫所產(chǎn)生的順橋方向最大拉應(yīng)力為2.85 MPa，順橋方向最大應(yīng)變?yōu)?9.5×10-6。

2）工況2

考慮模板對結(jié)構(gòu)的約束作用，對模型底板所有的單元施加固定約束，模擬滿堂支架以及模板對主梁的約束作用。通過計(jì)算得到降溫10℃時(shí)翼緣板及頂板沿順橋向應(yīng)力云圖，見圖3。

圖3　降溫10℃時(shí)翼緣板及頂板應(yīng)力云圖（工況2）（單位：Pa）

由圖3可知，當(dāng)頂板及翼緣板降溫10℃時(shí)，翼緣板因降溫所產(chǎn)生的順橋方向最大拉應(yīng)力為3.57 MPa，順橋方向最大應(yīng)變?yōu)?04×10-6，頂板因降溫所產(chǎn)生的順橋方向最大拉應(yīng)力為4.23 MPa，順橋方向最大應(yīng)變?yōu)?02×10-6。

3.2.2不同混凝土齡期收縮差分析

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》（JTG D62—2004）附錄F中關(guān)于混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)計(jì)算的規(guī)定，考慮頂板及翼緣板拆模后15 d的收縮差，收縮開始時(shí)的混凝土齡期為3 d，則：腹板及底板35 d齡期相對于20 d齡期的收縮應(yīng)變?yōu)棣與s（35，20）=εcs（35，3）-εcs（20，3）=3.82×10-6；頂板及翼緣板22 d齡期相對于3 d齡期的收縮應(yīng)變?yōu)棣與s（22，3）=εcs0·βs（22-3）=1.375×10-5。故頂板與腹板及底板之間的收縮應(yīng)變差為9.93×10-6。C50混凝土的線脹系數(shù)為1×10-5/℃。因此，頂板與腹板及底板之間的收縮應(yīng)變差相當(dāng)于頂板及翼緣板降溫1.0℃。通過計(jì)算分析，比較溫度收縮差與齡期收縮差這2個(gè)因素可以看出，齡期收縮差引起的應(yīng)力相對較小，而溫度收縮差的影響較大。

4　產(chǎn)生裂縫的頂板及翼緣板橫向受力分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果，該橋在箱梁翼緣板及頂板存在多條裂縫，裂縫間距為50～100 cm。頂板、翼緣板開裂后，在局部輪載作用下接近于單個(gè)板條受力，其受力情況不利。為此，考慮以下2種工況：

1）工況1，不考慮開裂影響，按照未開裂情況驗(yàn)算翼緣板及頂板的橫向受力是否滿足規(guī)范要求。

2）工況2，考慮開裂影響，選取單個(gè)板條（假定為70 cm）驗(yàn)算翼緣板及頂板的橫向受力是否滿足規(guī)范要求。

計(jì)算采用橋梁博士軟件建立平面橫向框架模型。建模時(shí)考慮了箱梁自重、二期恒載及車輛荷載的作用，活載考慮1.3的沖擊系數(shù)。車輛荷載取55 t標(biāo)準(zhǔn)重車后軸計(jì)算，活載分布寬度按公路鋼筋混凝土及《預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）的規(guī)定計(jì)算，對于工況2其分布寬度即為70 cm，計(jì)算情況如下。

最不利彎矩：工況1、工況2的活載最不利彎矩計(jì)算簡圖見圖4，圖中力值為工況1采用力值，下方括號內(nèi)力值為工況2采用力值。

圖4　最不利彎矩計(jì)算簡圖（單位：cm）

最不利剪力：由于考慮開裂和不考慮開裂影響下截面剪力相差不大，此處僅對工況2（考慮開裂影響下的最不利剪力）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖5。

圖5　最不利剪力計(jì)算簡圖（單位：cm）

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，得到翼緣根部截面（A截面）、頂板根部截面（B截面）及頂板跨中截面（C截面）的最不利內(nèi)力，見表1—表4。

表1　控制截面最不利彎矩kN·m

表2　控制截面抗彎承載力驗(yàn)算

表3　控制截面裂縫寬度驗(yàn)算

表4　控制截面抗剪承載力驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，不考慮開裂影響時(shí)翼緣板及頂板受力能滿足規(guī)范要求，在考慮開裂影響時(shí)頂板根部截面、頂板跨中截面承載力不滿足規(guī)范要求，其余截面受力驗(yàn)算能滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)論和建議

5.1結(jié)論

1）通過計(jì)算分析可知，齡期收縮差引起的應(yīng)力相對較小，而溫度收縮差的影響較大。

2）未出現(xiàn)裂縫時(shí)，梁體翼緣板及頂板的受力均能滿足規(guī)范要求，但在出現(xiàn)裂縫后，梁體頂板根部截面、頂板跨中截面承載力略有不足。

5.2建議

1）建議后期應(yīng)對商品混凝土的配合比進(jìn)行嚴(yán)格控制，盡量避免在高溫時(shí)間澆筑混凝土，并應(yīng)加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。

2）對A17～A21聯(lián)現(xiàn)澆箱梁裂縫進(jìn)行封閉，寬度＞0.15 mm的應(yīng)進(jìn)行灌注；在橋面鋪裝增設(shè)防水層，阻止雨水滲入梁體影響梁體的耐久性；在橋面鋪裝中增加適量鋼筋（包括植筋），以增加梁體的安全儲備。

3）結(jié)構(gòu)成橋后建議通過荷載試驗(yàn)的方式對該聯(lián)橋的承載能力進(jìn)行評估，已保證結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ 021—89公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1989.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］中華人民共和國交通部.JTJ 023—85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［S］.北京：人民交通出版社，1989.

［4］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004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［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］交通部公路科學(xué)研究所，交通部公路局技術(shù)處，交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，等.大跨度混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［M］.北京：人民交通出版社，1982.

［7］劉利，高巖，梁志廣.彎剪開裂后預(yù)應(yīng)力混凝土梁承載能力試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2012（6）：13-15.

（責(zé)任審編鄭冰）

文章編號：1003-1995（2016）08-0069-05

Analysis on Top Deck Crack Cause for Certain Cast-in-place Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge

LIU Boqi
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T ransverse cracks were found on the bottom surfaces of the flange plates and the top deck of a cast-inplace continuous box girder bridge in Guangzhou province during the form removal process.T o solve the problem，the distribution，shapes and width of cracks in the bridge were investigated by construction data collection，the appearance detection，the structural inspection.T he cause of cracking and whether the bridge with cracks could bear loads in operation stage were investigated by the finite element analysis.According to detection results，temperature shrinkage difference has a large effect on the transverse cracks.T ransverse cracks have a large effect on the local transverse force of the flange plates and the top deck of box girder.T he carrying capacity of the root section，cross section of the top deck were slightly insufficient.Suggestions on solutions to the problems are provided to increase the carrying capacity，improve the traffic capacity.

Cast-in-place continuous box girder；Finite element analysis；Crack；T emperature shrinkage difference；Age shrinkage difference

U445.57

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.13

1003-1995（2016）08-0053-05

2016-02-25；

2016-05-23

劉伯奇（1986— ），男，助理研究員，碩士。