悬臂施工过程中箱梁1号块腹板下弯钢束束向裂缝分析及处理

【摘要】结合某大桥主桥采用50+2×75+50m四跨预应力混凝土连续刚构桥工程实例，在挂篮悬臂浇注施工过程中1号块纵向预应力张拉后腹板混凝土内外侧均有沿下弯钢束束向的裂缝出现，通过实体单元有限元模型对腹板处的局部应力模拟、施工因素两方面对其成因进行了分析。结果表明，裂缝成因主要是预应力管道附近混凝土局部主拉应力值距离规范上限值较近，安全富裕量偏少，同时在施工中可能会产生预应力孔道偏差、管道区域混凝土粗骨料少、水泥胶多、混凝土振捣不密实降低该区域混凝土的抗拉应力等多种因素，综合导致了此裂缝的产生。针对分析结果提出裂缝处理和预防措施。

【关键词】连续刚构；箱梁桥；挂篮悬臂浇注；裂缝；设计局部应力分析；施工因素分析；处理

预应力混凝土连续刚构箱梁桥结构刚度大、变形小且外观线形简洁优美，在当今大跨径桥梁中广泛应用，但大跨径连续刚构桥腹板开裂的问题在桥梁施工过程中频频发生，且导致腹板开裂的因素众多。本文基于工程实例，对大跨径连续刚构桥在挂篮悬臂浇注施工过程中出现腹板开裂现象从实体单元有限元模型对腹板处的局部应力模拟、施工因素两方面对其成因进行了分析，针对分析结果提出裂缝处理和预防措施。

1. 工程概况

杭州某大桥主桥采用50+2×75+50m四跨预应力混凝土连续刚构桥上跨浦阳江，分上、下行两幅，每幅均为独立的单箱单室竖直腹板断面，箱梁顶宽15.5m，底面宽8.0m，腹板厚度除0#段为70cm外，其他均为55cm，主墩墩顶梁中心线高度为4.2m，各跨跨中和边跨现浇段梁中心线高度均为1.9m，箱梁纵向梁高由薄壁墩外缘向跨中呈二次抛物线变化。主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系，顶板、底板、腹板纵向预应力采用高强度低松弛钢铰线，大吨位的群锚体系（15s15.2，19s15.2）；顶板横向预应力束采用高强度低松弛钢铰线，纵桥向布置间距为50cm；腹板竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，纵桥向布置间距为55cm。主桥施工采用挂篮悬臂浇注施工。

2. 裂缝现象描述

主桥8#墩左幅、9#墩右幅1#、1，#块纵向预应力张拉后（T1、F1采用19s15.2控制力3539KN）腹板混凝土内外侧均有沿F1束下弯束方向的裂缝，裂缝基本沿预应力管道方向，始于管道弯起点处，止于距离锚固端约1米位置处，内外侧裂缝位置大体对应。同一节段两侧腹板的裂缝基本对称于箱梁纵轴线。9#墩右幅1#、1，#块因为竖向束已张拉完成，裂缝宽度小于0.05mm，8#墩左幅1#、1，#块竖向束没张拉，裂缝宽度为0.1～0.15mm，9#墩左幅1#、1，#块混凝土已经浇筑，但没有张拉纵向预应力束，经检查腹板混凝土无裂纹。

3. 裂缝成因分析

3.1设计因素分析。

3.1.1全桥整体结构分析。

主桥结构的整体分析采用专业桥梁计算软件桥梁博士，按照该桥施工顺序建立有限元计算模型，进行各施工阶段应力计算分析、持久状况承载能力计算分析、持久状况正常使用计算分析工作，主梁承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计均满足规范要求，悬臂施工阶段各工况和悬臂箱梁块段左右截面上、下缘纵向应力、主拉应力、主压应力的计算结果均满足规范要求。监控单位依据设计文件及实际施工荷载对桥梁各施工阶段及全桥结构计算分析的结论与上述相同。

3.1.20#～1#块箱梁腹板处局部应力分析。

由于该裂缝发生于施工阶段，且沿腹板下弯束束向局部发生，故需对0#～1#块采用实体单元有限元模型进行腹板处的局部应力分析。

（1）有限元分析模型。

分析模型主要包括主梁已浇筑节段和桥墩，考虑到主梁纵向沿中线对称，且主梁横向沿桥墩中线对称悬臂施工，根据结构对称性，取结构的1/4建立模型。计算分析采用通用有限元软件ANSYS进行。主梁采用solid92单元模拟，预应力筋采用link10单元模拟。模型共划分单元90546个，其中solid92单元89508个，link10单元1038个，节点132840个。

（2）有限元输出结果及分析。

主梁C50混凝土弹性模量34.5GPa，容重2600Kg/m3，预应力筋弹性模量195GPa，模型所受外荷载主要包括结构自重和预应力荷载，预应力按每根钢铰线控制张拉力182.3KN考虑。腹板主拉应力整体分布如图1所示，在预应力曲线段上张拉纵向钢束引起的局部主拉应力均值为2.0MPa，且在预应力管道附近每侧5cm范围内。根据设计规范C50混凝土抗拉强度标准值2.65MPa，截面钢筋配筋率为0.51%>0.4%，本施工阶段混凝土理论抗拉强度可达3.05MPa。以上分析为钢束理想线形状态，在实际施工中的偏差会增大局部应力，对结构产生不利影响。

3.2施工因素分析。

3.2.1施工过程中混凝土浇筑及养护质量与此类裂缝的出现有很大关系，包括浇筑顺序、振捣方式、张拉时混凝土的龄期、强度、弹性模量、养护条件等，如果任何一个环节处理不好，都会增加混凝土开裂的几率。采用同样的施工工艺的9#墩左幅1#、1，#块混凝土已经浇筑，但没有张拉纵向预应力束，经检查腹板混凝土无裂纹，同时9#墩右幅1#、1，#块张拉时混凝土的强度为52.4MPa，8#墩左幅1#、1，#块张拉时混凝土的强度为53.1MPa，设计混凝土强度为C50，由此可知该因素非引起8#墩左幅、9#墩右幅1#、1，#块腹板混凝土内外侧沿F1束方向开裂的主要原因。

3.2.2预应力管道区域混凝土的振捣质量对此类裂缝的出现影响很大。施工人员在该区域浇筑振捣时，为避免损伤波纹管振捣作业离管道较远，不可避免的会出现少振或漏振，遭成该区域混凝土粗骨料少、水泥胶多、混凝土振捣不密实，降低该区域混凝土的抗拉应力，导致预应力张拉后该区域混凝土产生裂缝。

3.2.3预应力孔道位置偏差遭成此类裂缝的出现。在实际施工中一方面由于预应力孔道定位不准确遭成管道偏置；其次，由于预应力孔道定位不牢固，在混凝土施工过程中由振捣引起管道偏置；再者，预应力束在张拉绷紧后将力图保持直线状态，设计理想的预应力束是一条圆滑曲线，而实际构件中为一条带圆弧的折线。预应力束张拉引起的局部区域混凝土的主拉应力不可能均匀分布，对凸出的混凝土部分作用较大的局部应力，大大增加混凝土沿预应力束纵向开裂的几率。

3.2.4另外，腹板拆模时间过早，后续养护不及时，可能使腹板表面尤其预应力管道周围由于混凝土收缩而产生拉应力，促使腹板斜向开裂。8#墩左幅、9#墩右幅1#、1，#块顶板、底板底面及腹板采用捂模养生，顶板、底板顶面采用浇水覆盖养生，混凝土养生7天后拆模，腹板混凝土的养生、拆模符合要求，因此该因素非引起8#墩左幅、9#墩右幅1#、1，#块腹板混凝土内外侧沿F1束方向开裂的主要原因。

3.3裂缝成因小结。

根据以上分析，大桥主桥8#墩左幅、9#墩右幅1#、1，#块腹板混凝土内外侧沿F1束方向出现裂缝成因主要是预应力管道附近混凝土局部主拉应力值距离规范上限值较近，安全富裕量偏少，同时在施工中可能会产生预应力孔道偏差、管道区域混凝土粗骨料少、水泥胶多、混凝土振捣不密实降低该区域混凝土的抗拉应力等多种因素，综合导致了此裂缝的产生。

4. 处理方案及相关分析

施工短暂状况所发生的局部应力裂缝，不仅在建设各方心理上造成不安全感，同时如不及时处理，会影响大桥的耐久性，进而影响大桥的安全性。因此，一方面需对现有裂缝进行标、本兼治，另一方面，对后续节段提出加强措施，同时要求施工单位精心施工，避免预应力孔道偏置，确保道区域混凝土施工质量，避免此类裂缝再次发生。为此，针对不同情况，提出以下对策与措施。

4.18#墩左幅、9#墩右幅1号块（已浇筑并张拉）处理措施。

（1）这两个桥墩1号块已浇筑并张拉完毕，裂缝已产生。从理论及文献资料成果研究分析，该裂缝只要作封闭处理就可以满足安全需要。考虑到腹板为箱梁受剪的主要构件，而现有的规范对箱梁腹板横截面局部开裂后的抗剪承载力理论计算方法尚无明确的规定，为稳妥起见，腹板向内加厚30cm，2号待浇节段作为腹板厚度变化段，3号及以后节段腹板厚度维持原设计不变。加厚混凝土采用后锚固植筋与已有混凝土相连。

（2）箱梁外侧裂缝相对内侧裂缝而言较为轻微，这与箱梁悬臂自重对此裂缝的开展起到抑制作用且箱梁腹板外侧比内侧多配置了一层冷轧带肋焊接钢筋网片有关。考虑到外观需要，对裂缝裂缝仅作注浆、封闭、表观处理。

（3）张拉竖向预应力钢筋后裂缝宽度明显减小，表明施加竖向预应力能对此裂缝起到抑制作用，为此调整预应力筋的张拉顺序：先张拉顶板预应力筋，再张拉竖向预应力筋但不压浆，最后张拉腹板下弯预应力筋，相隔一段时间对竖向预应力钢筋进行二次复拉并压浆。

（4）9#墩右幅1号块修复施工次序：内外侧裂缝注浆、封闭腹板内侧植筋并加厚养护14天进入2号块施工。

（5）8#墩左幅1号块修复施工次序：内外侧裂缝注浆、封闭张拉竖向预应力钢筋但不压浆，张拉时间应在裂缝封闭后随即进行腹板内侧植筋并加厚养护14天进入2#块施工二次张拉竖向预应力钢筋并压浆。

4.29#墩左幅1号块（已浇筑待张拉）处理措施。

（1）这个桥墩1号块已浇筑，为防止预应力张拉后再次产生腹板裂缝，腹板向内加厚30cm，2号待浇节段作为腹板厚度变化段，3号及以后节段腹板厚度维持原设计不变。加厚混凝土采用后锚固植筋与已有混凝土相连。调整预应力筋的张拉顺序：先张拉顶板预应力筋，再张拉竖向预应力筋但不压浆，最后张拉腹板下弯预应力筋，相隔一段时间对竖向预应力钢筋进行二次复拉并压浆。

（2）9#墩左幅1号块施工次序：张拉顶板预应力钢筋并压浆张拉竖向预应力钢筋但不压浆腹板内侧植筋并加厚养护14天张拉腹板下弯预应力钢筋并压浆进入2#块施工二次张拉竖向预应力钢筋并压浆。

4.3未施工桥墩处理措施。

为防止该裂缝再次出现，对结构进行加强处理。未施工桥墩1号块及后续2～5号块腹板的箍筋由双肢式加强为四肢式，间距由原设计的15cm加密为10cm，6号块腹板的箍筋由双肢式加强为四肢式，间距不变。沿预应力管道方向，在曲线段增设管道定位钢筋，以防止管道偏差对局部产生不利影响。调整预应力筋的张拉顺序：先张拉顶板预应力筋，再张拉竖向预应力筋但不压浆，最后张拉腹板下弯预应力筋，相隔一段时间对竖向预应力钢筋进行二次复拉并压浆。

5. 结语

通过上述处理方案，后续悬臂施工过程中未出现此类裂缝，已出现的裂缝封闭后也未进一步发展。由此可知，以上对1号块腹板沿下弯束束向裂缝成因的分析是基本客观的、正确的，采取的处理、加强措施是有针对性的、有效的。大跨度连续刚构桥腹板开裂的原因众多，往往是结构特性、设计、施工、材料、工艺等综合因素作用的结果。设计单位设计时应考虑施工实际状况，适当提高安全富裕量。施工单位应不断改进、提升施工工艺，克服施工工艺中存在的影响施工质量的隐患，最大限度的满足设计要求。

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[文章编号]1006-7619（2013）08-02-689