耽ｌＬ Ｘ蛐仅小 ＶＯＩ．１Ｏ ＮＯ．２ ２０１３年４月 Ｍｏｄｅｒｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ．２０１３ 空心板梁使用阶段底板应力分析 及纵向裂缝成因研究 李 捷，童 浩 （江苏宁沪高速公路股份有限公司，江苏南京２１００４９） 摘要：针对先张法预应力空心板梁底板纵向裂缝病害往往在使用阶段才出现这一现象，提出纵向裂缝形成与使用 阶段活载作用有重要联系；通过对使用阶段车辆荷栽作用下板梁的横向应力情况进行计算，并以桥梁宽跨比、板梁 底板厚度为可变参数，分析活载作用下纵向裂缝形成的规律；探讨得出使用阶段板梁底板纵向裂缝形成的原因，提 出针对性处治措施。 关键词：先张预应力空心板梁；纵向裂缝；使用阶段 中图分类号：Ｕ４４５．７１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９８８９（２０１３）０２—００２９—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｌｏｏｒ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｈｏｌｌｏｗ Ｐｌａｔｅ Ｂｅａｍｓ ａｎｄ Ｃａｕｓｅｓ ｏｆ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｃｒａｃｋｓ ｉｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｔａｇｅ Ｌｉ Ｊｉｅ．Ｔｏｎｇ Ｈａｏ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｐｒｅ－ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｈｏｌｌｏｗ ｓｌａｂｓ ａｒｅ ｕｓｕａｌｌｙ ＯＣＣＵｌＴｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ，ｔｈｅ ｌｉｖｅ ｌｏａｄ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａ ｑｕｉｔｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｒａｃｋｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ－ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ－ ｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ａｒｅ ｂｏｔｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｒａｃｋｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｄｅｍｏｎ— ｓｔｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ—ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ；ｈｏｌｌｏｗ ｓｌａｂ ｂｅａｍ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｒａｃｋ；ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ １概述 土具备了传递横向弯矩的刚度条件。根据大量调 研和检测实践，施工质量缺陷会诱发甚至直接引起 先张法预应力空心板梁桥在公路中小跨径桥 梁中的应用非常多，单跨２０ ｍ以下的桥梁广泛采 用了该种桥型。虽然该种板梁具有优良的使用性 能以及耐久性，但近年来却不断发现板梁底板存在 纵向裂缝病害。针对该种病害，已有许多文献进行 了病害成因的分析¨ ，提出了种种设想，并初步探 讨了几种可能因素，但多是从施工因素着手，局限 于定性上的分析，未有量化的论证数据。 通常在空心板梁的设计中认为梁与梁之间以 底板纵向开裂，但是很多板梁的底板裂缝在使用阶 段才显现出来，而且裂缝会延伸、缝宽会增加，这在 一定程度上说明，上部结构多块板梁联成整体后， 形成了板横向受弯效应。车辆荷载作用下板梁下 缘是存在横桥向拉应力的，裂缝形成和发展跟使用 阶段的荷载作用有重要关系。 本文从桥梁上部结构整体受力的角度着手，对 使用阶段车辆荷载作用下板梁的横向应力情况进 铰接形式连接，铰缝只传递剪力而不传递横向弯 矩，但是对于采用深铰缝形式的板梁，由于铰缝内 上、下层钢筋的连接以及桥面现浇层、铰缝内混凝 行了理论分析，探讨了荷载作用对纵向裂缝形成的 影响，并通过改变宽跨比、板梁底板厚度等参数研 究其对横向应力的影响。 作者简介：李捷（１９７０一），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事高速公路运营管理和养护管理工作。 ・３０・ 现代交进技术 ２０１３年 ２使用阶段板梁底板横桥向应力分析 为了理论上探明多块板梁联成整体后的横桥 向受力性能，以１×１６ ｍ桥跨为例进行分析。桥跨 上部结构由８块先张预应力空心板梁组成，铰缝形 式为普遍采用的深铰，铰缝的上、下缘均配置连接 钢筋，桥面现浇层厚度为１０ ｃｍ。活载形式为挂一 １２０，为探讨最大横向弯矩效应，活载在横桥向居中 布置。如图１所示。 ２６０ ９０ ９０ ９０ ２７０ ７５ｋＮ ７５ ７５ｌ（Ｎ ７５ｌ【Ｎ 厂—厂—厂］ １ ２群 ３群 ４ ５撑 ６＃ ７抖 ８ ８００ （ａ）横桥向车辆布置 ２８０ １２０ ４００ １２０ ６８０ ３００ｋｉｎ３００ｋＮ ３００ｋＮ３００ｋＮ 厂＿Ｔ—————厂］ Ｌ一 ！鱼ＱＱ －ｌ （ｂ）纵桥向车辆布置 图１挂一１２０车辆布置形式（单位：ｅｍ） 空间有限元模型的单元类型采用Ｓｏｌｉｄ ４５，桥 面现浇层与铰缝也采用实体单元建立。如图２所示。 图２空间有限元模型图 利用结构对称性，对１＃一４｝｝板梁关键截面的横 向拉应力进行计算，结果如表１所示。 表１ ｌ＃～４＃梁底板横向应力 ＭＰａ 空心板编号— 童 荸蔫等等 嘉 将跨中截面１＃一８＃板梁跨中截面底板上缘及 下缘横向拉应力按横桥向坐标绘制如图３所示。 将４群板梁纵桥向各截面处的底板上下缘横向应力 按纵桥向坐标绘制如图４所示（仅示出半跨）。４＃ 板梁跨中截面横向应力云图如图５所示。 日１．８０ 皇１．５０ １．２０ 辩 赡０．３０ ｎ００ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 横桥向坐标／ｍ 图３ １＃一８＃板梁跨中截面底板横向应力横桥向分布图 １．８０ 盏１．５０ １．２０ ０．９０ Ｏ．６０ 鞣０．３０ Ｏ．ｏ０ －０．３０ 纵桥向坐标／ｍ 图４ ４＃板梁底板横向应力纵桥向分布图 ＝一．７０００００ ＝０ ＝５００ ０００ ＝．１０ＯＥ＋０７ ＝．１５０Ｅ＋０７ ＝．２００Ｅ＋０７ ＝．２５０Ｅ＋０７ 图５ ４＃板梁跨中截面横向应力云图（单位：Ｐａ） 通过理论计算分析，荷载作用下各块板梁底板 上、下缘横向应力分布具有以下特点： （１）板梁底板上缘横向拉应力均比下缘大，上 缘横向拉应力量值约为下缘的３～４倍； （２）板梁４分点处的底板横向应力与跨中相差 不大，其原因为４分点在纵、横桥向的荷载作用条 件与跨中处较为相近； （３）从１＃梁至４＃梁，底板上、下缘拉应力均逐 渐增加，４样板梁与５＃板梁拉应力值最大，上缘拉应 力达到１．６７ ＭＰａ左右，下缘拉应力达到０．４４ ＭＰａ； （４）活载效应在底板上缘产生的拉应力达到 １．６７ ＭＰａ，量值较大且基本上底板均处于横向受拉 状态，尤其３＃～６＃板梁，底板上缘横向应力均在 １ ＭＰａ以上。如果在板梁底板存在施工缺陷的情况 下，底板上缘又无横向钢筋，纵向裂缝产生和扩展 的可能性非常大。 ３ 宽跨比对底板横向应力影响分析 两边支承板的横向受力性能与宽跨比有关。 为分析宽跨比对底板横向应力的影响，仍以１× １６ ｍ桥跨为例进行分析，改变板梁数量以改变桥 宽，分别按照１２ ｍ、１６ Ｉｎ桥宽进行分析。挂车荷载 盟—— 李捷，等：空心板梁使用阶段底板应力分析及纵向裂缝成因研究 ・３ｌ・ 仍在横桥向居中布置，２种桥宽车辆布置形式如图 ６所示。纵桥向加载位置如图１（ｂ）所示。 ４底板厚度对底板横向应力影响分析 ∞ Ｒ倒星据媾卜 Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ 原标准梁的底板厚度为１２ ｃｍ，现削减为１０ ｃｍ ∞∞∞∞∞加∞图 （８－）桥宽１２ｍ横桥向车辆布置 ６６０ ９０ ９Ｏ ９Ｏ ６７０ ０ｎ０Ｕ０ｎｏＵｏＵｏＵＱＵ０Ｕ０Ｕ０Ｕ０ＵｏＵ０ＵｏＵ０Ｕ０ （ｂ）桥宽１６ｍ横桥向车辆布置 图６ ２种桥宽车辆布置形式《单位：ｃｍ） 对桥宽８ ｍ、１２ ｍ、１６ ｎｌ情况下挂车荷载作用 产生的底板横向应力进行对比分析，如图７、图８所 示，水平轴为纵桥向坐标，仅示出半跨。 日鲁苣 辑匠蜒 ２ １ １ ｌ ０ Ｏ Ｏ 加 踮 ∞ ∞ ∞ 加 加 ７不同桥宽底板下缘横向应力分析 塞 ００ ５Ｏ 翻 ００ 星 据 ５Ｏ Ｏ０ 辎 ５Ｏ 攫 ｏｏ ｏ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 底板上缘横向应力／ＭＰａ 图８不同桥宽底板上缘横向应力分析 随桥宽增大，底板上、下缘横向拉应力成增大 趋势，桥宽由８ ｍ增加至１２ ｍ时，宽跨比由０．５增 加至０．７５，底板上缘横向拉应力由１．６７ ＭＰａ增加 至２．２５ ＭＰａ，增幅３４．７％；桥宽由１２ ｍ增加至 １６ ｍ时，宽跨比由０．７５增加至１．０，底板上缘横向 拉应力由２．２５ ＭＰａ增加至２．５０ ＭＰａ，增幅１１％。 随着宽跨比的增加，荷载作用下横向弯矩效应 增加，底板横向拉应力增大，理论上当桥宽增加至 一定宽度后，横向弯矩效应增幅逐渐减小；活载作 用下，当宽跨比增加至０．７５、桥宽增加至１２ ｍ后， 底板上缘横向拉应力明显增加甚至已经接近Ｃ５０ 混凝土的抗拉强度。如果存在超载车荷载作用以 及冲击效应，可能会直接造成底板上缘混凝土的开 裂。由于车辆荷载的反复作用及疲劳效应，混凝土 更容易开裂且裂缝会从底板上缘向下发展延伸。 进行理论计算。以桥宽８ １１１的情况进行计算，对厚 度削减后４＃梁底板上缘横向应力分布如图９所示。 ４＃板梁底板削减后跨中截面横向应力云图如图ｌ０ 所示。 ２．０７ １．６７ 纵桥向坐标，ｍ 图９底板厚度削减前后４撑板梁底板上缘 横向应力沿纵桥向分布情况 图ｌ０ ４＃板梁底板削减后跨中截面 横向应力云图（单位：Ｐａ） 理论分析结果表明，底板厚度的削减对荷载作 用下板梁底板的横向应力状态产生较大影响，当厚 度削减２ ｅｍ时，跨中截面底板上缘横向拉应力由 １．６７ ＭＰａ增大至２．０７ ＭＰａ，增加了２４．０％。如果桥 宽增加至１２—１６ ｍ，则底板上缘的横向拉应力会超 过混凝土抗拉强度，造成混凝土开裂。板梁４分点截 面处底板横向拉应力的增幅与跨中截面基本相同。 由于底板减薄，在钢铰线位置处由荷载产生的 横向拉应力也已经超过１ ＭＰａ，考虑施工阶段钢铰 线放张产生的局部横向拉应力效应，底板上缘混凝 土开裂后，裂缝会继续延伸至钢铰线甚至贯穿 底板。 ５ 结论 本文对多块板梁联成整体后的横向受弯特性 进行了理论分析。因铰缝构造形式、铰缝混凝土浇 筑质量等因素的差异性，板梁之间的实际横向联结 性质并不是完全刚性的。本文主要立足于纵向裂 缝在使用阶段出现这一实际情况，因此对铰缝的刚 性所做的理想假设有一定的合理性，（下转第４８页） ・４８・ 现代交通技术 ２０１３生 根 １．５ ｍ钻孔桩，单桩竖向沉降要求控制在１０ ｍｍ 内，以保证Ｖ型刚架施工过程中的结构安全。 ３．４临时支撑与梁底的连接 ３．６施工支架预压 箱梁采用在支架立模浇筑施工。支架必须保 证足够的刚度、强度和稳定性，支架下应进行地基 临时支撑与梁底的连接采取如下措施：按单柱 柱顶承重５００ ｔ来考虑，在 １．２ ｍ柱顶设置外径为 １．１８ ｍ钢砂桶，砂桶壁厚２ ｅｍ，高４Ｏ ｅｍ。砂桶用砂 采用筛分后的中砂，细度模数为２．３—２．７，砂要晒 干后方可使用。砂桶上方为钢筋砼楔形块，内设３ 层钢筋网片，与０—１＃块同时浇筑，在楔形块底部预 埋１ ｅｍ的钢板与砂桶接触，这样可解决钻孔桩与０ 处理，并对支架沉降加以严格。箱梁施工前， 应对其支架进行预压，以消除支架和地基的非弹性 变形。预压荷载为箱梁自重的１２０％，支架连续７ ｄ 累计沉降量小于３ ｍｍ后方可进行后续施工。 ４结语 新扬大桥结合运河两岸现场建设条件，大胆选 用了主跨１５０ ｍ的预应力混凝土拱形连续梁桥。 预应力混凝土拱形连续梁外形新颖，结构特殊，线 形流畅，具有较强的景观性。目前新扬大桥已通车 运营近３年，大桥运营正常，说明主桥结构体系的 合理性和安全性是有保证的。本文对预应力拱形 连续梁设计与施工关键技术进行初步探讨，以期为 １＃梁底连接的问题，保证钻孔桩临时支撑只承受 竖向荷载。楔形块长度应位于砂桶受压范围内，防 止砂桶偏心受压过大而失稳。 ３．５ 贝雷桁架纵向固定 由于浇筑砼时水平推力的存在，为了避免其直 接传递到钻孔桩临时支撑上，将贝雷桁架用部分槽 钢与承台固定。根据设计文件，ＸＴ２一ＸＴ１３块浇筑 此类桥型的设计与施工积累经验。 参考文献 时产生的水平推力在每排贝雷架上约１３ ｔ，共３６排 贝雷架。为固定贝雷架，把贝雷架上的水平推力抵 ［１］中铁大桥勘测设计院有限公司．无锡市新光路Ｂｌ标运 河桥梁工程施工图设计文件［Ｒ］．２００８． ［２］无锡路桥集团有限公司．无锡市新光路Ｂ１标运河桥梁 工程主桥施工方案［Ｒ］．２００８． ［３］张清平，张德海．大跨度连续刚构桥抗震响应特性评估 研究［Ｊ］．公路工程，２０１１（５）：７７—７９． （收稿日期：２０１２—０８—３０） 消，承台浇筑时，在其顶部先预埋部分钢板，用槽钢 一端与承台上的预埋钢板进行双面焊接，焊接长度 约１８ ｅｍ，槽钢另一端与贝雷架锚固，由经验计算可 知焊接所能承受的力约１８ ｔ，满足水平承受力要求， 贝雷架另一端与系梁接触面可自由滑动。 （上接第３１页） 能够分析得出裂缝形成的理论规律和发展趋势。 本文就桥梁宽跨比以及底板厚度不足这一施 板上层横向钢筋并适当加密上、下层横向钢筋的纵 桥向间距；在板梁预制施工中，应采取有效措施确 工质量缺陷对底板横向受弯性能的影响进行了计 算，探讨了使用阶段活载作用对纵向裂缝的影响， 主要得出如下结论： 保底板浇筑厚度满足设计要求。通过设计、施工的 同步改善和优化，提高板梁底板的抗裂性能，避免 纵向裂缝的产生。 参考文献 ［１］郭铭德，吕锦刚．空心板梁底板纵向裂缝问题的分析 （１）多块板梁联成整体后，活载作用引起板横 向弯曲效应，由此产生的底板横向拉应力不容忽 视。底板上缘横向拉应力大于下缘，说明使用阶段 底板纵向裂缝更容易先在上缘产生，然后向下延 伸。底板上缘拉应力相对更大是板梁截面横向受 弯特性的反映。 ［Ｊ］．广东科技，２００６，（５）：１１２—１１３． ［２］邵旭东，周里呜，李立峰．薄壁空心板梁纵向裂缝的畸变 分析与试验研究［Ｊ］．公路，２００７，（３）：５９—６４． （２）对于宽跨比达到０．７５的板梁桥，活载作用 下底板横向拉应力可达２ ＭＰａ以上，跨中至４分点 ［３］赵卫国，薛文．先张法预应力混凝土空心板梁纵向裂缝 分析［Ｊ］．公路，２００６（１０）：５２—５３． 区域内的底板纵向开裂的可能性较大，但通常底板 上缘未配置横向钢筋，一旦开裂则会发展、延伸，直 至贯通底板，甚至形成纵向通长的裂缝病害。 （３）先张预应力空心板梁的设计中，应增设底 ［４］杨永灿，张学峰，马晔．预应力空心板梁纵向开裂受力分 析及加固维修［Ｊ］．公路交通科技（应用技术版），２００９， （０８）：３９—４０． （收稿日期：２０１２—１２—２４）
