宋策
河北衡通工程專案管理有限公司
摘 要： 結合某跨河預應力混凝土連續鋼構橋例項，對其主梁施工期間的腹板裂縫進行檢測，包括裂縫寬度、深度、長度等，套用ANSYS有限元分析軟件構建該橋梁段空間有限元模型，並結合腹板開裂相關理論對其腹板裂縫的形成機理和分布規律進行模擬分析。結果表明，該連續鋼構橋腹板裂縫為主拉應力裂縫，應控制好箱梁橫向應力及空間效應，並加強對復雜受力區的局部份析，確保將主拉應力控制在限值以內，為預應力混凝土連續鋼構橋箱梁設計提供參考。
關鍵詞： 預應力混凝土;連續剛構橋;腹板裂縫檢測;
作者簡介： 宋策（1991—），男，河北衡水人，工程師，從事公路橋梁施工監理工作。;
0 引言
預應力混凝土剛構橋施工技術成熟，跨越能力強，套用也較為廣泛，但大跨度連續鋼構橋施工中常出現腹板開裂現象。腹板混凝土開裂後易引發鋼筋銹蝕，降低結構受力面積，破壞結構連續性和耐久性，甚至改變荷載傳遞，危及橋梁執行安全。為此，本文針對大跨度預應力混凝土連續鋼構橋腹板施工中所存在的裂縫問題，進行腹板裂縫狀況的全面評估，並借助有限元分析軟件進行裂縫混凝土受力狀態模擬，找出引發腹板混凝土裂縫的主要原因，並提出切實可行的腹板裂縫處治措施。
1 裂縫狀態檢測
某跨河大橋為預應力混凝土連續鋼構設計，主橋長度324m，橋梁寬19.5m，設計跨徑為87m+150m+87m，主梁箱梁為單箱雙室截面形式，采用C60混凝土材料。箱梁根部梁體腹板和底板厚度分別為80cm和120cm，跨中梁體腹板和底板厚度分別為50cm和32cm,0#塊頂板設計厚度70cm，其余頂板設計厚度均為30cm。
在該橋梁主梁施工期間的定期檢測中發現，腹板處出現數條裂縫，為進行裂縫對橋梁狀態影響的評估，套用混凝土裂縫寬度檢測儀和超聲波非金屬檢測儀測定了既有裂縫深度、寬度。測點002-01、002-02、002-03和002-04對應的測距分別為100mm、150mm、200mm、250mm，聲時為34μs、58μs、55.6μs、77.4μs，測深為52.4mm、104.5mm、68.6mm和119.4mm。根據檢測結果可以得出以下裂縫特征：
(1) T形結構腹板兩側主要表現為斜向裂縫，且在箱室內側壁處較為集中，大部份裂縫均存在滲水泛堿現象；
(2）施工號塊裂縫一般在腹板下彎束張拉錨固工後一段時間內出現，並在完成豎向預應力張拉後閉合，在後節段施工期間裂縫寬度、長度、數量等也並未進一步發展；
(3）裂縫位置的分布較為均勻，除0#塊以外，其余號塊腹板避免基本均存在1～2條可見裂縫，且在2條裂縫的情況下裂縫間距均保持在80～100cm以內；
(4）腹板兩側裂縫沿箱梁縱軸線呈對稱分布，並位於距離錨固端特定位置處，裂縫和箱梁頂面形成10～45°的夾角；
(5）從尺寸來看，其中絕大多數裂縫長度和寬度分別在80～300cm、0.054～0.1mm之間，深度在80～100mm的裂縫占比為34%。
2 腹板裂縫原因模擬分析
2.1 裂縫原因
裂縫垂直方向所承受的拉應力增大是造成橋梁混凝土構件開裂的主要原因。箱梁腹板結構受力形式較為復雜，主要承受恒載、溫度應力、豎向預應力筋引發的應力及剪力滯、縱向預應力筋引發的切應力和正截面應力、畸變附帶引發的切應力和法向應力及箱梁扭轉引發的剪力流等，以上破壞力在箱梁腹板裂縫產生過程中的作用有主有次。透過分析該預應力混凝土連續鋼構橋腹板裂縫出現的規律發現，錨固區周圍是裂縫的主要發端區，並沿腹板縱向預應力下彎束方向發展，且發展趨勢基本不受環境溫度的影響。因此，荷載所引起的過大主拉應力是引發該連續鋼構橋腹板裂縫發生的主要原因。
裂縫幾乎都出現在所在號塊混凝土澆築結束後的預應力束張拉錨固期間，且在後續施工的影響下並未表現出繼續發展趨勢，故僅需要選取對應的號塊，進行其相應施工階段實際受力狀態的模擬，便能對該號塊初始開裂所對應的局部應力展開全面研究。根據相關設計，應在節段縱向預應力張拉施工結束後進行橫豎向預應力張拉，故所構建的節段有限元模型中不考慮橫豎向預應力的存在。
2.2 有限元分析
套用ANSYS有限元分析軟件構建該預應力混凝土連續鋼構橋梁段空間有限元分析模型，並透過挖空模型的做法進行暫未壓漿施工的預應力孔道模擬[1]，同時結合施工設計展開平彎和豎彎。此外，本文所構建的有限元模型中還透過8節點SOLID185單元與10節點SOLID187單元進行預應力混凝土梁段規則部份及不規則孔道部份的劃分，采用集中力和徑向力等效替代預應力束的作用效果，同時在預應力混凝土單元施加面荷載。按照以上要求將該連續鋼構橋有限元模型劃分成809 680個節點和700 800個單元。為進行最不利受力狀態的模擬，固結約束以6#截面為主，且忽略6#塊前端所承受的掛籃起吊作用，主要考慮預應力及結構自重等荷載。所構建的6#塊有限元模型的網格劃分及孔道處網格劃分具體見圖1和圖2。
圖1 網格劃分 下載原圖
圖2 孔道處網格劃分 下載原圖
一般而言，對位於彈性工作狀態下的預應力混凝土結構進行彈性靜力分析時，基本滿足疊加原理[2]相關要求。因本文所構建的該連續鋼構橋有限元模型無普通鋼筋，故6#塊混凝土結構應力狀態與工程實際存在一定差異，但並不影響應力整體分布。該橋梁結構有限元模型主拉應力雲圖具體見圖3。由圖3可知，6#塊混凝土主拉應力基本在0.05MPa左右，並在錨固力的作用下端部均存在局部應力場，且不斷向底板和腹板擴散。同時，根據對腹板表面應力雲圖的分析，腹板應力並非均勻擴散，而是沿著腹板下彎束延伸，並不斷出現新的應力集中區域。根據疊加原理，引發這一現象的原因主要在於腹板束周圍存在額外的與錨固區應力場重疊的應力場，考慮到腹板兩側應力場強度不同，故新的應力場和錨固區應力場疊加後應力雲圖會表現出繼續延伸並不斷出現新應力集中區的情況。根據對預應力束的空間布置，預應力束彎曲所引發的徑向力是造成額外應力場出現的主要原因。在錨固力和徑向力疊加後，所引發的應力場必將增大錨固點和腹板束周圍一定範圍內混凝土主拉應力，而這一區域也必將成為裂縫發生頻率較大的危險區。
圖3 應力雲圖（單位：MPa) 下載原圖
根據對該連續鋼構橋腹板混凝土主拉應力變動趨勢的分析看出，其腹板混凝土主拉應力變化表現出明顯的共性特征，即錨固點處的應力值最大，並在距離錨固點25cm的範圍內快速下降，對應的是應力場的快速擴散；而在距離錨固點25～50cm的範圍內應力值不降反增；在徑向力的作用下，兩個遞增過程對應的峰值並不一致。在此之後，峰值較高的曲線則圍繞峰值水平波動，並逐漸下降；而另一曲線則在達到峰值後逐漸降低至低水平，在穩定一段時間後略微上升。腹板束平彎、錨固點位置、箱梁空間受力效應等參數設定是造成兩條主拉應力變動趨勢線差異的主要原因。透過分析得知，該連續鋼構橋腹板混凝土錨固區主拉應力取值在2.0～3.0MPa之間，比其設計抗拉強度超出1.96MPa，此處發生裂縫的可能性較大，額外應力場所施加的主拉應力為1.0～1.5MPa，加速了裂縫擴充套件。
2.3 腹板裂縫產生機理
除荷載作用外，箱梁構造特性、設計及施工均會引發腹板裂縫的產生。考慮到采用預應力混凝土箱梁應力計算模型所得到的主拉應力值偏小，故本研究忽略橫向應力與箱梁空間效應，僅按照豎向和縱向二維平面進行箱梁應力分析和計算，箱梁的翹曲、扭轉、形變等均會使腹板切應力和主拉應力增大。另外，在箱梁底板結構自重及頂板翼緣懸臂等的作用下會引發腹板內側橫向拉應力和腹板外側的豎向壓應力，即出現寬箱效應，使箱梁內部腹板斜向裂縫比外部更加嚴重。如果將以上所分析的箱梁橫向應力和寬箱效應均忽略不計，必然會使所得出的主拉應力取值過小。
根據【公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範】（JTG 3362—2018），預應力錨固集中力作用於後張預應力混凝土錨固區後會造成局部承壓及應力擴散，形成典型的應力擾動區域[3]，這種錨固力從錨墊板開始逐漸向全截面擴散的過程必將產生橫向拉應力。結合腹板斜向裂縫形成機理及有限元分析結果，腹板下彎束所釋放的徑向力、箱梁空間效應所施加的次拉應力、腹板錨固應力擾動區對應的橫向拉應力等均為引發腹板裂縫發生的主要拉應力形式。結合規範，預應力混凝土連續鋼構箱梁主拉應力限值為1.14MPa，在預應力筋張拉的過程中混凝土實際強度僅為設計值的90%，因此主拉應力較大時必將引起結構開裂。此外，過短的混凝土齡期下其結構彈性模量也無法滿足設計要求，進而直接增加混凝土結構變形，並影響應力分布的均勻性，故而腹板裂縫一旦出現，在應力重新分布後必將引發新一輪的延伸和開裂。
3 裂縫整治思路
針對以上所分析的該預應力混凝土連續鋼構橋箱梁腹板裂縫的形成原因及機理，應從兩個方面進行整治：
(1）透過改善預應力施工工藝，保證混凝土質素，以控制裂縫產生。具體而言，應當增加預應力束錨固區鋼筋數量，並形成密布鋼筋網，同時沿預應力管道增配閉合式箍筋；保證混凝土振搗施工質素，加強保溫保濕養護，嚴格按照設計要求延長混凝土齡期，以確保預應力張拉過程中混凝土強度和彈性模量完全符合設計及相關規範；提升預應力管道定位筋設定質素和定位的準確性，不得出現過大的橫縱向定位偏差；在條件允許的基礎上，先進行腹板豎向預應力束初張拉，再進行腹板縱向預應力束張拉，最後再二次張拉以上兩個節段的橫向預應力和腹板豎向預應力。
(2）套用灌漿法修補既有裂縫，即借鑒國內外橋梁修補經驗，根據裂縫寬度及病害程度合理選用水泥、甲凝及環氧樹脂等膠黏劑，依靠黏結劑的黏結力重新將混凝土結構組織結合成整體，並使其強度得以恢復；同時起到阻擋、阻隔外部水分和空氣進入梁體結構的作用，避免引發結構內部鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕。為避免鉆芯取樣造成破壞，應在灌漿結束後采用超聲波探傷儀檢查漿液灌註的飽滿程度。
4 結語
綜上所述，本文所研究的預應力混凝土連續鋼構橋腹板裂縫的分布存在一定規律性，透過構建特征號塊有限元模型進行腹板裂縫形成機理的分析得出，預應力束和錨固點四周存在較大的主拉應力，部份區域主拉應力值甚至超出混凝土設計抗拉強度，所得出的主拉應力沿鋼束分布的趨勢特征與腹板裂縫實際狀態基本吻合。造成這種主拉應力裂縫存在及延伸的原因主要在於過大的腹板彎束所產生的徑向力、腹板錨固應力擾動區的橫向拉應力、箱梁空間效應所產生的次拉應力以及混凝土齡期過短、混凝土強度及彈性模量不足等。總之，預應力混凝土連續鋼構橋箱梁橫向應力和空間效應必須引起設計人員的足夠重視，透過最佳化和改善箱梁應力計算模式，加強復雜應力區局部有限元分析，將主拉應力值嚴格控制在限值範圍內，以有效控制箱梁腹板裂縫的出現及延伸。
參考文獻
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[3] 衛星，趙駿銘，肖林，等.連續剛構橋施工過程中腹板裂縫檢測與研究[J].鐵道工程學報，2019, 36(7):38-43,86.
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