多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋受力裂縫控制研究

王乾 劉勇

摘 要：以某五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，針?duì)施工中出現(xiàn)的縱向裂縫問題，利用ANSYS軟件分析了此裂縫的形成機(jī)理。分析結(jié)果表明，集中于腹板的預(yù)應(yīng)力筋布置形式對(duì)箱梁第一節(jié)段端部頂板、底板產(chǎn)生了較大的橫向拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致縱向裂縫的形成，同時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固局部效應(yīng)容易產(chǎn)生局部縱向裂縫。結(jié)合分析結(jié)果，給出了防止此類縱向受力裂縫產(chǎn)生的控制措施和建議。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；局部效應(yīng)；裂縫控制；多跨連續(xù)箱梁橋；錨具連接器

中圖分類號(hào)：U445.47+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0061-02

Abstract： Taking a five-span prestressed concrete continuous beam bridge as the engineering context， the forming mechanism of the crack is analyzed by using ANSYS software in view of the longitudinal crack in construction. The results show that the layout of prestressing tendons concentrated on the webs produces large transverse tensile stresses on the top and bottom of the first section of the box girder， and finally leads to the formation of longitudinal cracks. At the same time， the local effect of prestressed Anchorage is easy to produce local longitudinal cracks. Based on the results of the analysis， the control measures and suggestions are given to prevent this kind of longitudinal force crack.

Keywords： bridge engineering； local effect； crack control； multi-span continuous box girder bridge； anchorage connector

引言

多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以其受力合理、行車舒適、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用。調(diào)查研究表明，預(yù)應(yīng)力摩擦損失和混凝土收縮徐變損失一般占總預(yù)應(yīng)力損失的70%以上[1]。通常采用錨具連接器對(duì)預(yù)應(yīng)力筋長束分段張拉的方法有效減小該摩擦損失。但在施工過程中出現(xiàn)的錨固局部效應(yīng)，若在設(shè)計(jì)和施工中不予以重視，將可能對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全性（尤其是施工過程的安全性）及使用耐久性產(chǎn)生十分不利的影響。

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋（跨徑布置為4×30m+20m），采用單箱單室截面，梁高1.8m，橋?qū)?.5m。全橋共劃分為三個(gè)梁段施工，其中一號(hào)梁段為第三跨及向第二、四跨各延伸5.5m（自重彎矩零點(diǎn)附近）。主梁縱向預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，在箱梁腹板共布置12束（17根/束）預(yù)應(yīng)力筋，各梁段間通過周邊懸掛擠壓式錨具連接器將預(yù)應(yīng)力筋連接成整體，預(yù)應(yīng)力筋布置和關(guān)鍵截面如圖1所示。

在橋梁施工過程中，一號(hào)梁段張拉預(yù)應(yīng)力筋前，兩端均未發(fā)現(xiàn)有任何肉眼可見裂縫；張拉完畢后，兩端頂板、底板均出現(xiàn)3～5條順橋向貫通板厚的裂縫，裂縫延伸2～3m，同時(shí)端部最下層外側(cè)錨具連接器對(duì)應(yīng)腹板外側(cè)出現(xiàn)了長度約40cm的縱向微裂縫。

2 有限元模擬及裂縫成因分析

利用有限元分析軟件ANSYS建立了三維實(shí)體模型，分析一號(hào)梁段梁端在預(yù)應(yīng)力作用下的彈性受力特征，以掌握箱梁各部位的應(yīng)力分布規(guī)律，分析裂縫形成的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。綜合考慮橋梁的對(duì)稱性、厚實(shí)的隱形橫梁、裂縫出現(xiàn)區(qū)域的箱梁懸臂受力特點(diǎn)及圣維南原理，分析模型截取該橋一號(hào)梁段懸臂端部5.5m為分析對(duì)象，采用含中間節(jié)點(diǎn)的三維20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID95模擬箱梁結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力荷載采用等效荷載法[2]施加，同時(shí)將梁端預(yù)應(yīng)力作用區(qū)域網(wǎng)格細(xì)分。模型共劃分為90927個(gè)節(jié)點(diǎn)，30615個(gè)單元，支點(diǎn)處邊界條件按固結(jié)處理。

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：梁端頂板、底板均受較大的橫向拉應(yīng)力，其中底板所受最大橫向拉應(yīng)力為8.94MPa，頂板最大橫向拉應(yīng)力為5.70MPa，最底層預(yù)應(yīng)力筋對(duì)應(yīng)腹板外側(cè)距端部20cm位置受到6.43MPa豎向拉應(yīng)力（應(yīng)力云圖如圖2所示）。

分析結(jié)果表明，實(shí)橋裂縫開展位置（梁端頂板、底板和腹板）在預(yù)應(yīng)力的作用下所受的應(yīng)力都遠(yuǎn)超過規(guī)范C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65MPa的限值。梁端頂板、底板混凝土因受到的橫向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于其實(shí)際抗拉強(qiáng)度，最終導(dǎo)致縱向受力裂縫的形成。同樣，在集中預(yù)應(yīng)力作用下，梁端錨固附近腹板外側(cè)產(chǎn)生了較大的豎向拉應(yīng)力，加之該處普通鋼筋未得到加強(qiáng)，使得縱向受力裂縫得以開展。

3 裂縫危害分析及控制措施

3.1 縱向受力裂縫的對(duì)橋梁影響分析

前述計(jì)算分析表明，錨具連接器的錨固局部效應(yīng)容易導(dǎo)致箱梁在施工過程中產(chǎn)生縱向受力裂縫，此裂縫在后續(xù)預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后，集中作用力將傳遞到接長的預(yù)應(yīng)力筋上，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)橄淞赫w受力。但是，采用錨具連接器進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉而引起的箱梁頂板、底板及腹板的縱向受力裂縫仍將降低橋梁使用壽命并危及橋梁結(jié)構(gòu)安全。箱梁頂板縱向裂縫的存在使得橋面板橫向剛度急劇減小，在汽車輪載疲勞荷載（尤其是超載車輛）的作用下極易加劇此縱向裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，并誘發(fā)受力主筋的銹蝕，降低了橋梁的安全性和使用壽命。

綜合上述分析，雖然此縱向受力裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)整體受力影響不大，但其對(duì)施工過程安全性、橋面板結(jié)構(gòu)安全性以及橋梁的耐久性將產(chǎn)生十分不利的影響，需對(duì)此裂縫引起高度重視，并采取有效措施控制和預(yù)防。

3.2 縱向受力裂縫的控制和預(yù)防措施

針對(duì)上述箱梁縱向受力裂縫，建議從以下幾個(gè)方面加以控制和預(yù)防：

（1）優(yōu)化預(yù)應(yīng)力筋的布置形式，合理增設(shè)橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋。根據(jù)橋梁施工階段受力特點(diǎn)，在箱梁頂板和底板合理增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋，在腹板處合理布設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋，并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)，可有效防止該縱向受力裂縫的發(fā)生。

（2）根據(jù)分析的受力薄弱部位，合理加強(qiáng)局部配筋及增大薄弱部位板件尺寸。如加強(qiáng)頂板、底板的橫向受力鋼筋的布置或增配鋼筋骨架以輔助受力；在錨固附近布設(shè)細(xì)密的表層箍筋，以提高混凝土開裂荷載并有效控制裂縫寬度，同時(shí)加強(qiáng)錨下混凝土施工質(zhì)量，確保預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散傳遞[3]。

（3）從增強(qiáng)橋梁耐久性方面。對(duì)已經(jīng)成型的裂縫，為防止空氣和水分透過裂縫而腐蝕受力鋼筋，應(yīng)當(dāng)采用具有良好粘結(jié)性、密閉性、防水性和耐久性材料將裂縫封堵、填實(shí)，以延緩鋼筋銹蝕進(jìn)程，提高橋梁使用耐久性。

（4）從設(shè)計(jì)理念上解決該問題，如局部使用高性能材料[4]；調(diào)整連接端至橋墩位置，變更施工方法為簡支轉(zhuǎn)連續(xù)方法，不失為避免此類裂縫發(fā)生的有效途經(jīng)。

4 結(jié)束語

通過分析錨具連接器工藝在工程實(shí)橋運(yùn)用中出現(xiàn)的裂縫病害，表明臨時(shí)錨固局部效應(yīng)顯著，梁端頂板、底板所受較大的橫向拉應(yīng)力，導(dǎo)致順橋向貫通板厚的裂縫開展；同時(shí)錨固附近預(yù)應(yīng)力筋較大的局部效應(yīng)，導(dǎo)致腹板外側(cè)縱向微裂縫開展。此縱向受力裂縫的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)施工過程的安全性及運(yùn)營期間的耐久性，需引起設(shè)計(jì)、施工人員的高度重視，并充分掌握橋梁全過程、整體和局部受力特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)和施工角度采取有效措施，確保最不利工況受力安全、合理。

參考文獻(xiàn)：

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