洪 華， 金肅靜， 楊勇勇

(浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

工程實例中，箱型梁結構被廣泛應用于連續(xù)箱梁橋和連續(xù)剛構橋。但在施工或運營期間，該種橋型結構容易受到兩種情況制約而縮短其生命周期，① 隨著結構跨徑增大，主梁跨中變形難以控制[1-2]；② 梁體結構容易出現(xiàn)裂縫(順橋向出現(xiàn)底板與頂板的縱向裂縫[3-4]、橋面裂縫及施工和運營過程中腹板斜裂縫[5-6])影響結構耐久性。學界針對這種情況進行了廣泛且深入研究[7]，得出許多有益結論及建議。筆者針對該情況的箱梁腹板開裂進行了探討、分析，并總結影響懸臂施工箱梁腹板開裂的原因，得出影響主因，探明箱梁結構裂縫產(chǎn)生的規(guī)律和形成機理。

1 定性分析

引起箱梁腹板開裂的原因可能有許多種，包括混凝土收縮、溫度效應、施工工藝、鋼束彎曲等引起的徑向力及錨固區(qū)壓應力帶來的泊松效應等。以下定性分析各原因所產(chǎn)生裂縫的機理。

1.1 收縮引起開裂

收縮裂縫一般有兩種形態(tài)：① 發(fā)生在上一節(jié)段和本節(jié)段交接位置，主要原因是由于二者材料齡期不同，上一節(jié)段對本節(jié)段構成約束，限制本節(jié)段的收縮從而導致開裂；箱型梁出現(xiàn)如此裂縫的可能性較小，主要原因是上一階段與本階段澆筑時間間隔較短，梁體不同步施工引起的不同收縮約束應力較小，難以導致箱梁開裂；② 現(xiàn)澆混凝土內(nèi)部和外部散熱條件不同，引起收縮差異，外部散熱快而內(nèi)部散熱慢，內(nèi)部對外部構成約束，這種裂縫一般呈表面龜裂；這一原因對于采用懸臂法施工的連續(xù)梁或連續(xù)剛構而言，存在的可能性較小，因為在懸臂施工過程中，箱梁內(nèi)外都處于開放狀態(tài)，散熱條件基本相同。所以，筆者針對采用懸臂法施工的連續(xù)梁或連續(xù)剛構而言，由收縮引起箱梁腹板開裂的可能性較小。

1.2 溫度引起開裂

溫度效應引起的開裂，考慮結構整體升降溫和梁體截面梯度溫度。整體升降溫對施工階段產(chǎn)生應變?nèi)羰艿郊s束，混凝土將產(chǎn)生變形，對于懸臂澆筑的箱梁，合龍前為靜定狀態(tài)，整體升降溫引起腹板開裂的可能性較小；梯度升降溫會在主梁中產(chǎn)生較大的局部彎矩內(nèi)力和自約束應力，從而導致開裂，一般出現(xiàn)在頂板。因此，由溫度效應引起箱梁腹板開裂可能性較小。

1.3 施工工藝引起開裂

可能引起箱梁腹板開裂的施工工藝包括：混凝土施工強度不滿足要求、現(xiàn)場養(yǎng)護工作不足、縱向鋼束沒按照設計要求張拉，導致預應力筋張拉力和引伸量不滿足控制要求、施工臨時荷載過大等。在這些因素影響下，可能會導致箱梁腹板開裂。施工現(xiàn)場針對以上各個原因，控制要求都會比較嚴格，故出現(xiàn)過大誤差的可能性較小。因此施工工藝不會是引起箱梁腹板開裂的主因。

1.4 彎曲鋼束的徑向力引起開裂

大跨度連續(xù)梁橋在設計過程中，為抵消上部結構引起的長期下?lián)蠒O置大量的預應力筋，其中包括腹板預應力束。箱梁腹板預應力束一般從頂板下彎至底板上方，當縱向鋼束張拉后，腹板內(nèi)將產(chǎn)生大致向下的徑向力，如圖1[8]。

圖1 腹板預應力束產(chǎn)生的徑向力方向Fig. 1 Radial force direction generated by the web prestressing tendons

在徑向力作用下會造成腹板中產(chǎn)生較大主拉應力，方向與鋼束走向基本垂直。當主拉應力超過混凝土抗拉強度極限值時，混凝土會開裂。由于預應力效應明顯，對應徑向力產(chǎn)生的主拉效應也非常明顯，是箱梁腹板開裂主要因素的可能性較大。

1.5 鋼束錨固力產(chǎn)生的泊松效應引起開裂

腹板預應力鋼束張拉完成后，會對其進行錨固，之后混凝土沿鋼束方向產(chǎn)生預加壓應力，由于泊松效應，在垂直于鋼束的方向會產(chǎn)生拉力，拉力方向與鋼束走向垂直。當主拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土即會開裂。同樣由于該類橋型預應力效應突出，對應錨固力產(chǎn)生主拉效應也將非常突出，它是箱梁腹板開裂主要因素可能性較大。

2 定量分析

導致懸臂施工箱梁腹板開裂主要原因是箱梁腹板彎起預應力束引起的徑向力和錨固腹板預應力束時因泊松效應帶來的錨固力。故筆者將定量分析徑向力、錨固力對腹板主拉應力的影響。

筆者以上海環(huán)城北路金匯港大橋作為研究對象。金匯港橋位于環(huán)城北路(金海公路—金錢公路)上，采用跨徑為60 m+102 m+60 m的變截面預應力混凝土連續(xù)梁橋，主橋主梁混凝土結構采用縱、橫、豎3向預應力結構體系。施工期間，在北半幅5#墩1、 2#塊和6#墩3#塊發(fā)現(xiàn)腹板開裂，裂縫走向與縱向預應力束方向大致相同，裂縫最大寬度0.1 mm，裂縫位置在縱向鋼束彎折點附近，于腹板內(nèi)、外側同時出現(xiàn)，位置相近。箱梁腹板斜裂縫典型示意見圖2，其中腹板預應力鋼束彎曲半徑為800 m。

圖2 箱梁腹板斜裂縫示意(單位:m)Fig. 2 Indication of oblique crack in web of box girder

2.1 模型建立

2.1.1 模型假定

筆者在建立ANSYS有限元模型時[9]，作如下假設：

1)裂縫出現(xiàn)在腹板中部靠近預應力管道位置，故假設頂板和底板在張拉縱向預應力時對腹板應力影響較小，可忽略；

2)假設施工節(jié)段0～2#塊預應力束對3#塊的影響較小，可忽略；因此截取節(jié)段時只驗算3#塊的預應力束，2#塊截取是為了保留3#塊預應力鋼束轉向段，因此模型中選取2～3#塊；

3)模型中未考慮普通箍筋，假設普通箍筋對腹板開裂影響不大；

4)假設預應力束在轉彎段由徑向力產(chǎn)生的效應與在彎起段內(nèi)施加均布面荷載作用相近。

2.1.2 模型計算

圖3 3#腹板各預應力束編號Fig. 3 Number of prestressing tendons in 3# web

采用有限元分析軟件ANSYS對6#墩2、3#塊腹板進行局部實體建模分析，選用SOLID95單元模擬混凝土，LINK8單元模擬預應力束，預應力管道通過模型挖空方式進行模擬。ANSYS建立所選節(jié)段有限元模型見圖4。

模型采用約束2#塊端部方式進行約束。對于2#塊預應力筋采用節(jié)點耦合法連接預應力鋼束與腹板混凝土，采用初應變法模擬預應力荷載；對于3#塊預應力鋼束作用效應將采用錨固力與徑向力形式等代替換，徑向力通過面荷載形式施加于實體模型。

2.2 結果分析

2.2.1 應力分析

筆者分別討論了在錨固力、徑向力和錨固力+徑向力荷載作用下，箱梁腹板預應力束彎起段附近平面內(nèi)是否存在主拉應力[10-11]；主拉應力方向和腹板內(nèi)外側主拉應力大小；在主拉應力荷載下，腹板是否會發(fā)生開裂及腹板開裂可能的方向，如圖5～8。

由計算結果可知：在這3種荷載作用下，預應力束彎起段附近平面內(nèi)存在主拉應力，其方向與預應力束管道方向基本垂直；拉應力內(nèi)側和外側有一定差別，外側在錨固力荷載作用下產(chǎn)生最大主拉應力，其值為1.6 MPa；內(nèi)側在錨固力+徑向力荷載作用下產(chǎn)生最大主拉應力，其值為6.5 MPa。內(nèi)側主拉應力超出混凝土抗拉極限會發(fā)生開裂，相應的內(nèi)側混凝土退出工作，開裂向外延伸，直至混凝土表面開裂，開裂方向應與主拉應力方向相同，即與預應力束管道方向基本垂直。

圖5 預應力束彎起段主拉應力矢量圖Fig. 5 Main tensile stress vector of the bending section of prestressing tendon

圖6 錨固力作用下預應力束彎起段主拉應力云圖Fig. 6 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under anchoring force

圖7 徑向力作用下預應力束彎起段主拉應力云圖Fig. 7 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under radial force

圖8 錨固力+徑向力作用下預應力束彎起段主拉應力云圖Fig. 8 Main tensile stress cloud diagram of the bending section of prestressing tendon under the action of anchoring force and radial force

2.2.2 應力在平面內(nèi)外變化趨勢分析

由于腹板內(nèi)、外側拉應力差別較大，需進一步分析斷面水平方向上拉應力分布情況。因各斷面規(guī)律相似，筆者只分析最大值管道邊緣到腹板外側各截取截面上主拉應力的變化規(guī)律，1～4#點布置如圖9；結果如圖10。

由圖10可得出：腹板截面主拉應力隨著離腹板預應力管道距離增加而減小，其中“徑向力+錨固力”效應最明顯。

圖9 管道邊緣到腹板外側0～4#點位置示意Fig. 9 0～4# position from pipeline edge to the outside of web

圖10 管道邊緣到腹板外側應力變化Fig. 10 Stress variation from the edge of pipeline to the outside of web

2.2.3 鋼束彎曲半徑對腹板應力的影響

筆者建立不同鋼束彎曲半徑腹板有限元模型(同上)，并通過提取腹板內(nèi)外主拉應力計算結果可得到：增大下彎半徑能降低腹板束截面處的主拉應力。

3 結 論

1)懸臂施工箱梁腹板開裂具體原因主要包括：混凝土收縮、溫度效應、施工工藝、預應力鋼束彎曲等引起的徑向力及錨固區(qū)壓應力帶來的泊松效應。其中：由預應力鋼束彎曲引起的徑向力和錨固區(qū)壓應力帶來的泊松效應引起箱梁腹板開裂可能性較大；

2)利用有限元軟件ANSYS通過工程實例對上述兩個因素引起的腹板開裂原因進行分析可知：懸臂施工箱梁腹板開裂容易發(fā)生在腹板預應力束彎起段，且其方向垂直于彎起預應力束；

3)在“錨固力+徑向力”荷載作用下，管道邊緣到腹板外側各截取截面上主拉應力大小不同，其規(guī)律是隨著離腹板預應力管道距離增加，主拉應力減小。