寬幅空心板梁底縱向裂縫成因分析及處治方法

摘要：結合呼和浩特市南二環延伸段土默特大橋梁底出現縱向裂縫的病害，對寬幅空心板梁橋梁底縱縫的危害進行分析，結合空間通用有限元軟件ANSYS對縱向裂縫產生的原因進行總結，根據現場病害的情況提出三種有效的對已建橋梁梁底裂縫的處理方法，為運營已久的空心板梁梁底病害養護維修提供有意義的參考和建議。

關鍵詞：縱向裂縫；寬幅空心板；ANSYS分析；碳纖維加固；

中圖分類號：TV543文獻標識碼： A

在公路和城市中小跨橋梁中，預應力混凝土空心板梁是被廣泛應用的一種結構形式。寬幅空心板梁相比普通的空心板梁橋更具有一定的優勢：梁高相對較低、抗扭剛度大、結構的挖空率大、在施工和使用過程中穩定性好、自重輕、經濟等優點?；谝陨蟽瀯?，寬幅空心板梁得到廣泛的應用，由于設計、施工等不合理因素，導致該類結構的裂縫頻頻出現并且形式多樣。本次現場對呼和浩特市南二環延伸段部分預應力寬幅空心板梁進行病害檢測時，發現多座橋梁底存在較嚴重的縱向裂縫。

考慮到梁端預應力錨固段局部應力集中，板梁橫向效應較復雜，梁端縱向裂縫產生的主要原因是預應力的泊松效應，對此本文不做重點研究。本文重點分析近跨中段的縱向裂縫成因及防治方法。

本文針對南二環延伸段土默特大橋北幅橋20m跨寬幅預應力空心板梁為例，采用通用有限元軟件ANSYS建立三維空間實體模型，模擬預應力鋼束與混凝土間的相互作用，對梁底跨中縱向裂縫成因進行定性定量分析，并且給出兩種加固方案，為類似工程的維修整治提供參考建議。

1、工程概況

土默特大橋南橋為一座偏東西走向的十二跨預應力空心板梁橋，上部結構共分3聯，各聯均為四跨先簡支后連續預應力空心板梁，橋梁全長240.6m，跨徑組合為12×20.0m。該橋上部結構每跨均由9片預應力空心板梁組成，梁高均為1.0m，中梁底寬為1.49m，邊梁底寬為1.495m?？招陌辶合略O板式橡膠支座?？招陌辶焊骺缰辛嚎缰薪孛娴撞坎贾糜?6根Ф15.2的預應力鋼絞線，墩頂負彎矩區域布置有2束5Ф15.2的預應力鋼絞線，梁端布置箍筋為4肢Ф10@75mm，各跨邊梁跨中截面底部布置有18根Ф15.2的預應力鋼絞線，墩頂負彎矩區域布置有2束5Aj15.2的預應力鋼絞線，梁端布置箍筋為4肢Ф10@75mm?？招陌辶汉豌q縫采用的C50混凝土。橋梁設計荷載為公路-Ⅰ級。

中梁跨中截面示意圖

邊梁跨中截面示意圖

圖1橋梁橫斷面構造圖單位：mm

2、空間模型

根據此次檢查結果來看，該橋開裂最嚴重的是北幅橋8-9-9#空心板，裂縫基本位于空心板梁空腔處，最大寬度為0.30mm，已超過《城市橋梁養護技術規范》（CJJ 99-2003）規定的采用鋼絲和鋼絞線的預應力混凝土梁裂縫寬度限值0.10mm。梁底裂縫病害示意如圖2所示。

圖2空心板中梁梁底縱向裂縫示意圖

采用有限元軟件ANSYS進行建模計算，建模尺寸按實際1:1比例尺建立，選用整體式模型模擬鋼筋混凝土，采用可以模擬開裂的solid65實體單元模擬C50鋼筋混凝土，采用link8桿單元模擬預應力鋼絞線。

（1）空心板模型橫截面圖

（2）空心板梁三維模型圖

（3）三維模型邊界條件示意圖

圖3空心板中梁模型示意圖

根據相關文獻，各跨空心板梁梁端底面縱向裂縫與混凝土收縮和溫變荷載有關，所以本次模擬分析荷載工況主要分析恒載、活載、混凝土收縮、日照溫差等工況組合。

3、計算分析及結果

注：本節應力圖中單位為Pa；所提供的應力云圖均為截面的橫向應力,負號為壓應力，正號為拉應力。

3.1工況1：恒載+預應力+活載

如圖4所示，在基本組合作用下拉應力最大值（1.58Mpa）發生在內孔上緣，這是因為工況1下活載對頂板下緣的橫向拉應力影響較顯著。從底板橫向應力來看，在縱向預應力作用下板底產生橫向拉力且跨中處拉應力最小，越往外緣拉應力越大，到底板邊緣處達到最大值（1.12Mpa），這是由于模型中梁體兩端約束所致。

圖4工況1板梁橫向應力云圖

3.2工況2：恒載+預應力+活載+收縮

如圖5所示，中梁上下緣拉應力較工況1顯著增大，內孔邊緣拉應力減小。板梁底中線附近拉應力達到最大值（2.01Mpa），接近C50混凝土容許拉應力值。與圖4相比，收縮作用引起的板底拉應力增幅不及預應力作用但比活載作用顯著，說明預應力影響下的泊松效應只是產生這類裂縫的次要因素，主要因素是收縮作用。

圖5工況2板梁橫向應力云圖

3.3工況3：恒載+預應力+活載+收縮+降溫

如圖6所示，此工況與實際情況最為接近，根據我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中規定的溫差分布和有關文獻要求，并結合此結構所處的地理位置和氣候條件來確定降溫所形成的溫度場。因溫差是相對值，僅需確定各個構件表面的溫度即可確定溫度場：頂板外表面受白天升溫影響，降溫較小取-5℃；腹板外側受降溫影響較大取-10℃底板取-8℃；板梁內孔表面取0℃。

從圖6應力云圖可以看出，在降溫溫變和收縮作用共同影響，板梁底板中線附近出現了近2.7Mpa的拉應力（C50混凝土容許拉應力值為2.79Mpa），這也就能較好的解釋底板出現縱向裂縫的原因了。同樣，在內孔上緣也出現了部分較大拉應力，也可能出現縱向裂縫，故對于內孔上緣也是檢測中需要關注的部位。

圖6工況3板梁橫向應力云圖

4、縱向裂縫成因分析

綜合上述計算分析和類似橋梁的檢測情況，并查閱相關文獻資料，分析有以下幾個方面因素導致這類寬幅空心板梁縱向開裂情況：

4.1 設計原因

該類橋設計由于經濟因素制約，其底部板厚度較薄，薄壁構件在縱向預應力作用下其截面會發生畸變效應，同時在底板的上下緣產生畸變彎曲，當畸變彎曲應力超過混凝土的抗拉極限強度，就會導致混凝土的縱向裂縫。另外如果板梁底的橫向構造鋼筋設置較少，鋼筋則無法阻止縱向裂縫的開展。

通過計算分析得知，由于該類空心板梁底板較寬，兩側腹板距離底板中心較遠，對底板的抗畸變應力作用很小。如果預應力放張過快，底板內部應變無法很快達到自平衡，發生應變滯后，就導致局部裂縫產生釋放能量。

4.2 施工原因

施工中，預應力鋼絞線放張時混凝土強度未達到規定的要求，預應力對混凝土材料產生泊松效應，即在軸向壓力下產生橫向拉應力，此應力與空心板截面的畸變應力組合后大于混凝土材料的極限抗拉強度，這是縱向裂縫產生的主要原因。張拉時的預應力管道固定不牢固，鋼束在混凝土澆筑后呈現高低起伏，則張拉預應力束后在混凝土表面產生局部開裂。另外，空心板梁底板混凝土中鋼筋較密，粗骨料不易進入空腔最低處導致細骨料較多，此處也不易振搗，使空腔最低處混凝土橫向收縮應力較其它處大，從而導致預應力空心板梁空腔最低處易產生縱向裂縫。

4.3 材料原因

混凝土材料在攪拌、運輸、凝結、硬化過程中會釋放出大量的熱能，板梁混凝土內部體積因升溫而膨脹，表面因暴露大氣中溫度低而體積收縮，當混凝土內部膨脹所產生的壓應力和混凝土表面收縮產生的拉應力超過材料抗壓和抗拉強度時，板梁表面就發生開裂現象?；炷猎谀Y過程中，少部分水分由于水化反應逐步揮發，使得混凝土體積發生干縮（水泥的極限干縮接近3000微應變），這種干縮作用在混凝土內產生一定拉應力，一旦這種拉應力超出極限抗拉強度也會產生開裂。另外，該類型的橋梁所用混凝土設計標號較高，在混凝土配比設計時通常施工人員偏于保守，水泥用量往往超出規范值，由于水泥的用量增加，使得混凝土收縮量大，同樣也造成表面容易產生裂縫。

4.4 管養原因

通過日常的病害檢查發現，普通空心板梁采用的四個板式橡膠支座極易出現脫空甚至缺失。如果寬幅空心板梁出現支座脫空，梁體的整體受力將受到影響，板梁自身的抗扭力增大且在約束扭轉的作用下截面產生畸變彎曲應力，這也會引起板梁底的縱向裂縫開展。

5、病害處治方法

通過上述分析，寬幅空心板梁底縱向裂縫主要是由混凝土的溫變應力和收縮變形荷載引起的。經過對此前對同類橋梁荷載試驗檢測證實，梁底縱向裂縫對橋梁結構整體的極限承載能力影響不顯著，但對結構耐久性不利，應及時對裂縫予以封閉。按照《公路橋涵養護規范》(JTGH12—2004)的要求，當裂縫寬度在限值范圍內時（裂縫寬度限值一般可取0.15mm），一般涂刷滲透結晶型漿料封閉裂縫;當裂縫寬度大于限值規定時，采用壓力灌漿法灌注環氧樹脂膠或其它灌縫材料。

6、結 語

結合呼和浩特市南二環延伸段土默特大橋梁底出現縱向裂縫的病害，利用有限元ANSYS模型對寬幅空心板梁橋梁底縱縫的成因進行分析，并根據橋梁管養的特征，提出了三種經濟有效的處治梁底縱縫的方法。通過本文研究提出以下結論和建議：

（1）對運營中的高等級公路橋梁出現梁體裂縫，應及時處治，提高梁體的耐久性和使用性能，增加社會經濟效益。

（2）寬幅空心板梁底縱向裂縫主要是由混凝土的溫變應力和收縮作用荷載引起的。梁底縱向裂縫對橋梁結構整體的極限承載能力影響不顯著。但較嚴重的裂縫對結構的耐久性產生影響：裂縫的存在使得內部鋼筋暴露在空氣中，增加受力鋼筋銹蝕的幾率，也會降低構件的使用壽命。

（3）空心板梁梁底縱向裂縫根據裂縫寬度不同，可采取涂刷滲透結晶型漿料或采用壓力灌膠對裂縫進行封閉，以提高結構的耐久性。

參考文獻:

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作者簡介：張靈通(1965-)漢族，內蒙古呼和浩特人，工程師