预应力混凝土连续箱梁桥裂缝机理分析与防治

胡华彪

(湖南省长沙市长沙理工大学土木与建筑学院)

0 引 言

预应力混凝土连续箱梁桥是目前工程中采用最多的桥梁形式，具有以下优点:结构刚度大、整体性好，施工速度快且质量能够得到保证等。然而在实际运营过程中，该类桥梁也出现了不少的问题，其中以腹板处易出现裂缝最为常见，因而有必要对其进行深入的研究。笔者以跨湘江某大桥为工程背景，在箱梁相应位置埋设传感器，在施工过程中对其进行时时监测，并运用ANSYS 空间有限元模型进行模拟，揭示了裂缝产生的原因，并提出了防治措施。并进行跟踪监测，得到的数据表明，裂缝产生原因分析正确，裂缝得到了有效的处理。通过此次对预应力混凝土连续刚构桥腹板斜向裂缝的研究，得到了一些结论。

1 工程背景

某在建跨湘江大桥为预应力连续箱梁桥，桥跨布置为40 +5 ×60 +40 m，采用单箱双室截面，笔者亲自参与了全桥的施工监控过程，发现箱梁腹板截面处存在不同程度的裂缝。

2 预应力连续梁箱梁桥的腹板开裂成因分析

查阅相关资料，可以得知，预应力混凝土连续箱梁腹板处裂缝产生原因主要包括:温度、荷载、干缩、腐蚀等，其中涉及到竖向预应力损失过大、温度及施工工艺等多个方面，但究其原因，实际上是由于结构内主拉应力超出了混凝土材料的抗拉强度造成的。

为准确分析腹板处裂缝产生原因，主要以下角度着手:施工现场，在箱梁截面腹板裂缝产生处埋设应力传感器(图1)，同时，运用有限元软件来模拟相关施工过程。

图1 应力传感器埋设位置示意图

2.1 竖向预应力分析

通过埋设应力传感器，现场实测得到7#梁段腹板处，在张拉竖向预应力筋后的截面应力值，同时通过理论计算得到了截面应力理论值，具体可见表1、图2。

表1 应力实测值与理论值

图2 应力变化情况

可以看出，应力实测值与模拟计算理论值相差不大，但随着后续梁段的架设，预应力会发生很大的损失，从而导致主拉应力过大，产生裂缝。

2.2 温度影响

温度会对于桥梁有很大的影响，在炎热的夏天，桥梁向阳侧由于受到太阳直射，温度较高，而在背阳侧，温度要低得多，温差可达10 ～15 ℃，有必要考虑温度梯度的影响。

本文运用ANSYS 有限元软件对该桥进行模拟，通过在预应力筋节点和与预应力筋邻近的混凝土单元之间建立约束，来模拟混凝土和预应力筋之间的共同工作。为了更加细致的分析箱梁的实际受力状态，对7#梁段建立了空间模型。模拟过程中通过降温法来施加预应力，控制单元的生死来模拟竖向预应力筋的张拉。

同时埋设传感器进行全程监测，得到了在温度梯度作用下，7#梁段腹板处应力变化趋势，同时与理论值进行对比，如图3 所示。

图3 7#节段腹板处应力变化

2.3 施工因素

(1)模板安装粗糙，混凝土浇筑时易发生变形或位移，使腹板厚度不能满足设计要求。

(2)预应力钢筋张拉时没有达到设计要求的张拉力，预应力筋张拉力达不到设计值和波纹管就位时偏离了设计的坐标值，对腹板内力造成不利影响。

(3)在悬臂平衡挂篮浇筑时，未对挂篮预压重或压重不足就进行阶段混凝土浇筑，箱梁浇筑的顺序由里向外，导致挂篮下挠，结果在与上一施工阶段连接的工作缝处出现很向裂缝。即使张拉预应力束后，裂缝也不可能闭合。由于这些裂缝的存在，剪应力急剧增大，导致主拉应力增大。

(4)箱梁骨架钢筋多且间距小，肋板、横梁、内盖梁处的混凝土难以振实，混凝土强度低于设计强度，包裹力也大为降低。

(5)张拉槽口处抗剪钢筋失效。

研究资料表明，这些因素也可能会对腹板处裂缝的产生有一定的影响。

3 腹板裂缝的防治措施

(1)严格控制预应力张拉精度，改善预应力张拉工艺，对竖向预应力筋采取“提前、滞后”的二次张拉工艺，即在纵向腹板束张拉前先施加竖向预应力筋全部预加力，避免腹板由于过大的局部拉应力产生开裂，第一次张拉完成后约15—20d 时间，再进行二次复张拉到设计应力，这样可以减少竖向预应力损失;

(2)加强混凝土施工质量控制，严格控制混凝土的配合比，做好混凝土浇筑后的养护工作;

(3)必须保证混凝土强度达到设计要求的强度和弹性模量、满足设计规定的加载龄期时再开始张拉预应力束。

4 结 论

在实际工程中，预应力混凝土箱梁桥运用的最为广泛，其施工工艺非常成熟，但是也存在一些问题，本文结合实际工程，针对该桥梁腹板易出现裂缝的情况进行了深入研究，并找到了该类裂缝出现的主要原因，并提出了合理的处理措施，结果表明，分析结果正确，处理措施正确得当，全桥在建成后很好的满足了设计要求，为以后同类型桥梁的施工提供了参考。

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