李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

某矮塔斜拉橋主梁施工期開裂原因及影響參數(shù)分析

李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

某主跨88 m矮塔斜拉橋，在施工過程中出現(xiàn)了較為典型的主梁邊室U形裂縫和頂板底面45°斜裂縫。為研究主梁施工期開裂原因和主要影響參數(shù)，采用空間分析方法對其進行了空間有限元施工仿真分析。研究結果表明：梁段結合面施工質量低劣、承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因；Z向應力過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因；頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因；橫向預應力對底板Z向正應力和頂板底緣主拉應力影響較大。

橋梁工程；矮塔斜拉橋；箱梁；開裂原因；影響參數(shù)；空間分析

0　引言

矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間的一種橋型，于20世紀90年代初在日本興起，并得到了迅速發(fā)展。此橋型在國內的起步比較晚，2001年10月建成的漳州戰(zhàn)備大橋是我國第一座矮塔斜拉橋［1，2］。矮塔斜拉橋當前的發(fā)展趨勢是大跨度、寬橋幅。相對于斜拉橋，矮塔斜拉橋主梁的寬跨比一般較大，平面桿系分析很難反映橋梁實際受力狀態(tài)，大跨單索面寬幅矮塔斜拉橋的空間效應尤為顯著［3，4］，對橋梁空間受力效應的考慮不足往往導致梁體開裂事故的發(fā)生［5］。某主跨88 m的矮塔斜拉橋在施工過程中發(fā)生了梁體開裂的破壞事故，為了分析原因總結經驗教訓，促進這一橋型的健康發(fā)展，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了精細的實體有限元模型，進行了施工仿真空間應力分析，探討開裂產生的原因和主要的影響參數(shù)。

1　工程概況

本文背景工程是一座雙塔單索面三跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，主橋的橋跨布置為39 m+88 m+ 38.9 m，主橋總長165.9 m，采用塔梁固結、墩頂設支座的結構形式［6］。主梁為單箱五室變截面預應力混凝土箱梁。箱梁支點梁高3.2 m，跨中梁高2.2 m，頂寬32 m，底寬26 m，挑臂3 m。斜拉索呈扇型布置，每個塔6對斜拉索，全橋共12對，通過圓弧管道穿過主塔錨固于主梁頂板。索塔為鋼筋混凝土塔，高度12.45 m。塔身截面為矩形，橫橋向寬2 m，順橋寬2.4 m，兼顧橋梁美觀，橋塔局部作適當修飾。0#塊和1#塊采用支架現(xiàn)澆，其他梁段采用掛籃分段懸臂澆筑。主橋的總體布置見圖1，主梁標準斷面見圖2。

圖1　總體布置圖（單位：mm）

圖2　主梁標準斷面（單位：mm）

2　主梁開裂特征

在橋梁施工中首先出現(xiàn)了箱梁邊腹板豎向裂縫、邊室底板以及翼緣板底面的橫向裂縫構成的主梁U形裂縫，隨后在箱梁邊室頂板底面又發(fā)現(xiàn)了45°斜裂縫。

2.1主梁邊室U形裂縫

施工過程中最先出現(xiàn)了腹板豎向裂縫和邊室底板橫向裂縫，裂縫主要分布在節(jié)段澆筑結合面處，見圖3，且裂縫沿縱橋向和橫橋向對稱分布。表1列出了北側P10墩主梁腹板豎向裂縫情況，南側P11墩處主梁腹板開裂情況與北側相同。

圖3　腹板外側Ⅰ-Ⅰ截面豎向裂縫

表1　腹板豎向裂縫情況

2.2頂板底面45°斜裂縫

后續(xù)在3#塊施工過程中，1#塊和2#塊邊室頂板底面相繼出現(xiàn)如圖4所示的45°角斜裂縫，在平面上裂縫基本呈八字形對稱分布，裂縫靠近1#塊的兩端施工接縫處。

圖4　頂板底面45°斜裂縫分布（單位：mm）

3　空間應力分析

3.1空間分析模型

在平面桿系程序總體分析的基礎上，進一步采用大型通用有限元程序ANSYS進行了空間仿真分析。由于施工期結構具有一定對稱性，為減少計算分析的工作量，選取對應施工階段結構1/4模型，在對稱面分別施加對稱約束。

施工階段取至3#塊澆筑完畢、張拉完1#斜拉索，圖5（a）為對應施工階段立面圖，圖中沒有示出施工掛籃，圖5（b）為ANSYS軟件建立的結構有限元模型。箱梁實體采用SOLID65混凝土單元模擬，預應力鋼束和斜拉索采用LINK8桿單元模擬，所有實體全部劃分為六面體單元網格，共63984個單元。

圖5　空間分析模型

計算中考慮了結構自重、預應力荷載、施工掛籃自重，以及斜拉索張拉力等荷載因素。荷載的施加按照施工階段分階段激活施加，以模擬施工過程中實際荷載工況。

計算參數(shù)取值如下：C50混凝土，彈性模量E取3.0×104M Pa，泊松比取0.167；預應力鋼束，彈性模量E取1.95×105M Pa，預應力損失參照平面桿系整體分析結果取值。

3.2空間分析結果

由于施工裂縫主要為底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫和頂板45°斜裂縫，所以空間分析主要關注邊室底板和邊腹板的Z向（縱橋向）正應力和邊室頂板底面第一主拉應力S1?？臻g分析結果如下：

（1）箱梁底板底面Z向正應力分布很不均勻，底板底面局部區(qū)域存在一定的拉應力，最大值達2.0 M Pa；Z向拉應力主要集中在1#塊邊室底板底面和0#塊箱梁翼緣下側，且拉應力貫穿1#塊邊室底板局部區(qū)域；次腹板內外側均不存在拉應力，見圖6。

（2）Ⅰ-Ⅰ截面邊室底板底面最大Z向拉應力0.7 M Pa，翼緣板下緣最大Z向拉應力3.29 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面邊室底板底面最大Z向拉應力1.58 M Pa，翼緣板下緣最大Z向拉應力0.8 M Pa，見圖6。

圖6　底板底面Z向正應力云圖（單位：Pa）

（3）箱梁頂板底面局部存在較大的主拉應力，3.0 M Pa以上的主拉應力主要集中在1#塊頂板靠近腹板的加腋處，應力集中處最大值達9.0 M Pa；頂板以受壓為主，受拉部分主要是頂板底面表層，見圖7。

（4）Ⅰ-Ⅰ截面頂板底的主拉應力最大值3.0 M Pa，翼緣板下緣主拉應力最大值4.53 M Pa；Ⅱ-Ⅱ截面頂板底的主拉應力最大值4.8 M Pa，翼緣板下緣主拉應力最大值3.5 M Pa，見圖7。

分析結果表明：空間應力分布與主梁開裂特征基本吻合，兩破壞截面處底板底緣Z向拉應力最大值1.58 M Pa，頂板底面開裂截面處主拉應力4.8 M Pa，（主）拉應力最大值都不在開裂截面處，而是在兩開裂截面中間。

3.3影響參數(shù)研究

3.3.1設計參數(shù)影響

為研究設計參數(shù)對結構空間應力分布的影響，在原有設計空間分析的基礎上選取以下幾個主要設計參數(shù)作進一步空間分析：

（1）縱向預應力。由于主梁底緣出現(xiàn)了Z向拉應力，頂緣都是受壓，主梁呈壓彎受力狀態(tài)，縱向預應力對改善Z向拉應力有一定的影響。

圖7　頂板底面主拉應力S1云圖（單位：Pa）

（2）橫向預應力。由于橋面較寬，在設計中需要配置較多的橫向預應力鋼束以抵抗橫向彎矩，由于泊松效應的影響，橫向預應力易對縱向正應力產生不利影響［7］。

（3）斜拉索索力。索力是矮塔斜拉橋的重要影響參數(shù)之一，索力大小直接影響結構的整體受力特性［8］。

為比較以上三個參數(shù)的敏感程度，分析中宜采用同樣的變化幅度?？臻g分析結果顯示總體應力水平較高，為降低應力水平分別將三個設計參數(shù)值減半，其他參數(shù)不變建立三個獨立的荷載工況。變更設計參數(shù)后的空間分析結果如下：

（1）橫向預應力和斜拉索索力減半均能顯著減小開裂截面處底板底面Z向拉應力，降低幅度達50%；縱向預應力減半開裂截面處底板底面Z向拉應力幾乎不變，見圖8。

（2）橫向預應力減半能顯著減小開裂截面處頂板板底面主拉應力S1，降低幅度達50%；縱向預應力減半和斜拉索索力減半開裂截面處頂板板底面主拉應力S1幾乎不變，見圖9。

參數(shù)分析結果表明：橫向預應力和斜拉索索力對主梁底緣縱橋向正應力有較大影響，縱向預應力對主梁底緣縱橋向正應力影響不大；橫向預應力對頂板底緣主拉應力影響較大，其他兩個參數(shù)對頂板底緣主拉應力影響不大。

3.3.2施工因素影響

對于節(jié)段懸澆箱梁，結合面是其結構上的薄弱環(huán)節(jié)，施工中必須嚴格按照設計要求、保證施工質量，然而在施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該橋的結合面施工過程中卻存在以下幾個問題：

（1）在施工過程中，端面鑿毛部分沒有按照設計要求充分鑿毛，尚未露出粗骨料；

（2）施工單位為了使梁體外觀光滑，要求端面鑿毛時截面邊緣保留3 cm的光面不鑿毛；

（3）箱梁結合面處混凝土振搗不充分，接縫處施工質量較差，甚至存在雜物和孔洞。

鑿毛不充分結合面的連接強度得不到保證，光面部分幾乎沒有連接強度直接造成截面削弱。由于這些施工工藝上的缺陷，必然造成結合面的承載能力降低，結合面成為梁體的薄弱部位，一旦出現(xiàn)拉應力結合面處極易開裂。

其他施工原因同樣會對施工縫處結構應力造成不利影響，比如：混凝土的配合比、混凝土的初凝時間、梁體混凝土的養(yǎng)護以及掛籃變形等。

圖8　底板底面正應力分布對比

圖9　頂板底面主拉應力S1分布對比

4　開裂原因分析

前述空間應力分析結果表明，拉應力分布情況與裂縫分布情況基本吻合，可以認為梁體開裂與應力分布存在一定的關系。綜合空間應力分析和影響因素研究結果，可以得出梁體開裂的主要原因如下：

（1）梁段結合面施工質量低劣承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因。因為主梁開裂截面邊室底板底面Z向拉應力最大值1.58 M Pa，小于C50混凝土的設計抗拉強度1.83 M Pa，不致于發(fā)生開裂，且次腹板不存在拉應力區(qū)也發(fā)現(xiàn)了豎向裂縫，這說明梁段結合面的抗拉強度不足以抵抗截面上的Z向拉應力。這也是豎向開裂沒有發(fā)生在應力最大處的主要原因。

（2）Z向應力水平過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因。因為開裂截面處翼緣底面Z向拉應力最大值達3.29 M Pa，超過了C50混凝土的抗拉強度標準值2.65 M Pa，由于翼緣本身較薄，扣除外緣3 cm的光面后截面明顯削弱，承載能力降低。

（3）頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因。因為開裂截面處頂板底面的主拉應力S1達4.8 M Pa。空間分析結果和現(xiàn)場觀測均表明頂板底面45°斜裂縫屬于表層裂縫，裂縫深度不到板厚的10%。

（4）橫向預應力對主梁底緣Z向正應力和頂板底緣主拉應力影響較大。

5　結論與建議

通過對該橋主梁施工期開裂原因和影響參數(shù)的分析研究，得出主要結論如下：

（1）梁段結合面施工質量低劣承載能力不足是造成梁體U形開裂的直接原因，局部應力水平較高是造成結合面處開裂的潛在原因；

（2）Z向應力水平過大是翼緣板底緣開裂的主要原因，翼緣處截面削弱是次要原因；

（3）頂板橫向預應力過大、是造成頂板底面45°斜裂縫的主要原因，但該斜裂縫屬于淺層裂紋。

對今后同類橋梁的設計與施工提出如下建議：

（1）寬幅矮塔斜拉橋空間效應顯著，應考慮其施工過程的動態(tài)空間應力分布；

（2）橫向預應力的設計也應考慮其空間效應，橫向預應力不僅對頂板主拉應力有較大影響，對底板正應力也有較大影響；

（3）橫隔板的設置可以改善主梁空間應力分布，橫隔板間距較大的地方可以考慮加大腹板厚度以提高橫向剛度；

（4）結合面的施工必須嚴格按照設計要求全截面充分鑿毛至露出粗骨料，同時應保證混凝土的澆筑質量，以提高結合面的承載能力。

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U448.11

A

1009-7716（2016）09-0151-05

2016-04-21

李元兵（1979-），男，湖北應城人，博士，工程師，從事橋梁工程檢測與評估、施工監(jiān)控及結構退化等技術研究工作。