預應力變截面連續箱梁橋跨中橫隔板裂縫成因分析

袁義華，吳 南

（1.中鐵七局集團第四工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075）

連續梁橋結構由于其在恒活載作用下內部受力合理、剛度大、整體性好、行車平穩等優點，在我國橋梁建設中廣泛使用。但連續梁橋在修建及使用過程中普遍會出現各種形式的裂縫，在橫隔板中較為顯著。橫隔板能夠增加橋梁剛度，對其變形有著一定的限制作用，而橫隔板的裂縫會影響橋梁的安全性。經調查發現，在用的大跨度預應力混凝土連續箱梁橋普遍在跨中橫隔板板處出現裂縫，主要分布在人孔周圍，數量較多，寬度不大[1]。裂縫的擴展可能導致截面剛度下降，撓度增大。而撓度的增大進一步導致結構受力偏離設計時的狀態，截面受力更加不合理，裂縫會繼續擴展，使橋梁逐漸喪失安全性[2]?；跈M隔板出現的裂縫問題，文章通過MIDAS/CIVIL和ABAQUS等有限元軟件對某座多跨連續梁橋進行有限元分析，觀察跨中橫隔板受力情況的變化，進而分析裂縫成因。

1 工程概況

文章以某大跨長聯連續梁橋為工程背景，該橋主梁為單箱雙室直腹板截面，分左右兩幅布置，單幅橋寬16.9m，兩幅之間箱梁頂板由2m寬濕接縫聯系，主梁總寬33.8m。箱梁通過結構找縱、橫坡，頂板橫坡2%，底板水平，布置形式為雙向六車道+非機動車道+人行道。橋梁跨中橫斷面如圖1所示。在其建成投入使用后對其內部橫隔板進行裂縫檢測，發現跨中橫隔板普遍存在裂縫。橋梁跨中橫隔板橫截面如圖1所示。

2 有限元模擬

進行模擬計算時，先使用MIDAS CIVIL計算出在施加荷載作用下局部模型截面處的內力值，再將此內力值作為截面荷載加載到ABAQUS的實體模型截面上。根據圣維南原理，分布在結構某截面上的應力，當此截面距離荷載加載處較遠時，其大小基本只與荷載的合力和合力矩有關。荷載在加載處的分布只會影響荷載作用區的應力分布，距離較遠處的應力分布影響可以忽略。本研究中此截面距離跨中橫隔板截面較遠，其應力分布影響可以忽略[3]。

2.1 全橋模型

采用MIDAS CIVIL建立全橋模型，如圖2所示。模型建立時所采用的主要材料參數如下：全橋采用C55混凝土；抗拉強度為2.74MPa；密度為2430kg/m3；彈性模量為35500MPa；泊松比為0.2；線膨脹系數為1×10-5；鋼絞線抗拉強度為1860MPa。

2.2 局部模型及網格劃分

由于橋梁整體結構較為龐大，文章截取其中一跨利用ABAQUS軟件建立了局部實體模型。該局部模型采用C3D8R單元類型，共有28171個單元。ABAQUS局部模型主要參數如表1～表3所示。

圖1 橋梁跨中橫隔板橫截面圖（單位：mm）

圖2 橋梁整體模型圖

表1 混凝土損傷塑性主要參數表

表2 混凝土損傷塑性受壓行為參數表（部分）

表3 混凝土損傷塑性受拉行為參數表（部分）

在對實體模型進行網格劃分時，對于非重點研究的部分盡量減少劃分的網格數，以提高計算效率?？紤]到橫隔板人孔周圍會出現應力集中的現象，對孔邊的網格做了加密處理。

3 成因分析

跨中橫隔板普遍出現裂縫主要是因為其局部拉應力超過了混凝土抗拉強度?？缰袡M隔板一般厚度較小，容易出現裂縫。為了方便成橋之后的橋梁檢修工作，一般的連續箱梁的橫隔板都會設置人孔，人孔的存在會導致橫隔板在橋梁使用過程中出現應力集中的情況，一旦局部拉應力超過混凝土抗拉強度就會導致裂縫出現。

橫隔板裂縫主要是成橋前裂縫和成橋后裂縫，前者主要是由混凝土收縮、施工和養護不當等因素造成的，后者是由溫度應力、車道偏載等荷載因素使橫隔板局部拉應力過大超過導致的。文章中主要從溫度應力和車道活載這兩個可能導致裂縫形成的荷載因素進行有限元模擬分析，觀察人孔周圍拉應力分布情況，對于拉應力較大可能導致裂縫產生的工況考慮采用擴展有限元來模擬人孔周圍裂縫的擴展情況[4]。

3.1 溫度應力

在變截面連續箱梁橋中，溫度應力是其中重要的一個因素。相關研究表明，溫度應力對于混凝土橋梁裂縫的影響甚至超過了活載應力。橋梁在自然環境中，會受到來自太陽的輻射，又由于混凝土的熱傳導性能較差，導致橋梁表面產生明顯的溫升。而橋梁內部溫度保持不變，這就使橋梁橫截面產生了不均勻的溫度場，進而產生了溫度梯度[5]。除此之外，所處環境溫度全年也在不停地發生變化。由冬季到夏季環境溫度升高，這種溫度變化使橋梁整體的溫度都發生了變化。前者溫度變化特點是作用于局部、分布不均勻，后者則是作用于整體、分布均勻[6]。

在進行溫度應力模擬時考慮兩種情況：（1）由于日照等情況造成橋梁頂底板出現溫差。（2）外部環境溫度變化導致的橋梁整體溫度升高（或降低）。對于由日照造成的溫差采用施加頂板溫升來進行模擬，整體溫升（溫降）則通過系統溫度的改變以實現。對于情況（1），對頂板分別進行溫升5℃、10℃、15℃，觀察人孔周圍最大拉應力。對于情況（2），對模型施加整體溫升10℃、20℃、30℃，觀察人孔周圍最大拉應力。頂板溫升15℃的ABAQUS模擬計算云圖如圖3所示，整體溫升30℃的ABAQUS模擬計算云圖如圖4所示。

圖3 頂板溫升15℃

圖4 整體溫升30℃

由ABAQUS模擬計算云圖可以看出，頂板出現溫升時在人孔上方存在很大的拉應力。頂板和底板之間存在的溫差導致橫隔板溫度分布不均勻，由于上方變形大于下方變形，強制下方混凝土產生形變，因此混凝土產生了較大的拉應力。在頂板溫升15℃的情況下，人孔周圍局部最大拉應力達到2.78MPa，甚至超過了C55混凝土的抗拉強度（2.74MPa），可能會產生裂縫。整體溫升使得橫隔板也產生了一定的拉應力，由于橫截面溫度分布均勻，橋梁整體都發生了均勻的形變，因此產生的拉應力相對較小。在整體溫升30℃的情況下人孔周圍最大拉應力為1.51MPa，未超過混凝土抗拉強度，出現裂縫的可能性較低。

不同溫升情況人孔周圍最大拉應力如表4所示。與整體溫升相比，隨溫度的升高，頂板溫升情況下人孔周圍最大拉應力要大很多，并且增加速度更快。

表4 不同溫升情況人孔周圍最大拉應力

3.2 車道活載

對于連續梁橋，車道活載也是可能導致橫隔板產生裂縫的一個重要因素。尤其是當發生偏載時，會使橋梁橫橫截面產生一定的扭矩，進而增大橫隔板橫截面的橫向拉應力，導致橫隔板出現縱向裂縫。

進行有限元分析時主要對車道滿載以及車道偏載進行模擬。通過模擬得出在車道滿載時人孔周圍最大拉應力為0.92MPa，而偏載時的最大拉應力為0.95MPa，二者產生的拉應力都較小，不足以引起橫隔板裂縫。

3.3 其他因素

（1）混凝土收縮。文章中箱梁主體采用C55混凝土，屬于高強混凝土，在拌制過程中會較普通混凝土產生更大的體積收縮，由于跨中橫隔板較薄，模板可能會阻礙混凝土的收縮，容易造成裂縫的出現。

（2）振搗方式不當。施工人員在澆筑混凝土過程中若未采用適當的振搗方式，可能會使混凝土內部的結構發生改變，造成表面浮漿、分層離析的現象，使混凝土出現裂縫。

（3）澆筑時表面與內部產生溫差。在澆筑完混凝土后由于大體積混凝土表面散熱較快，而內部散熱較慢，因此形成內外溫差?；炷羶炔砍惺軌毫Χ獠砍惺芾?，導致裂縫出現。

（4）混凝土拆模后養護不當?；炷猎诓鸪０搴笮枰谝欢ǖ臏囟群蜐穸葪l件下進行養護，若未保持適當的溫度、濕度則會使水分蒸發過快，造成水泥水化不完全，進而影響混凝土的強度，導致混凝土在受力過程中出現裂縫。

4 橫隔板裂縫防護措施

（1）摻入適量膨脹劑。在混凝土拌制過程中摻入適量的膨脹劑，可以在一定程度上抑制混凝土在水化過程中的體積收縮，有利于減少混凝土初期的收縮裂縫。

（2）橋梁設計時在跨中橫隔板處設置適量的橫向預應力鋼筋并在人孔處加強鋼筋布置?？缰袡M隔板在受力過程中出現裂縫主要是由于所受拉應力超過其混凝土抗拉強度，因此設置適量的預應力鋼筋可以在一定程度上減少橫隔板拉應力，降低裂縫出現的概率。

（3）對于已經產生的橫隔板表面微裂縫，可以對其表面進行修補以及涂層處理，這樣可以防止橫隔板內部進一步發生病害，延長橋梁的使用壽命[7]。

（4）在施工過程中加強施工質量的監管，減少因混凝土振搗方式不當、養護不到位等施工因素造成的裂縫。

（5）在陽光較充足時，經常對橋面進行灑水等降溫處理，以縮小頂底板溫差，減小由溫差導致的拉應力。

5 結束語

文章對預應力變截面連續箱梁橋跨中橫隔板的裂縫成因進行了有限元分析，發現導致橫隔板出現裂縫的原因主要是混凝土承受的拉應力超過了其自身抗拉強度。在分別施加頂板溫升、整體溫升以及車道活載的情況下，橫隔板人孔上方均出現了拉應力集中的現象。三者之中頂板溫升所造成的拉應力最大，車道活載最小。在頂板溫升15℃的情況下局部拉應力達到2.78MPa，甚至超過了混凝土抗拉強度，導致混凝土被拉裂。此外還存在一些非荷載因素，如混凝土收縮、振搗及養護不當等。文章主要分析幾種荷載因素單獨作用下對跨中橫隔板裂縫的影響，而實際情況通常是多種因素的耦合作用，其應力分布情況也會更為復雜。在橋梁設計時，可以在裂縫易出現的地方加強鋼筋布置；在裂縫出現后要及時對裂縫進行加固處理，以減少裂縫帶來的損害。