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摘要：结合呼和浩特市南二环延伸段土默特大桥梁底出现纵向裂缝的病害，对宽幅空心板梁桥梁底纵缝的危害进行分析，结合空间通用有限元软件ANSYS对纵向裂缝产生的原因进行总结，根据现场病害的情况提出三种有效的对已建桥梁梁底裂缝的处理方法，为运营已久的空心板梁梁底病害养护维修提供有意义的参考和建议。
關键词：纵向裂缝；宽幅空心板；ANSYS分析；碳纤维加固；
中图分类号：TV543文献标识码： A
在公路和城市中小跨桥梁中，预应力混凝土空心板梁是被广泛应用的一种结构形式。宽幅空心板梁相比普通的空心板梁桥更具有一定的优势：梁高相对较低、抗扭刚度大、结构的挖空率大、在施工和使用过程中稳定性好、自重轻、经济等优点。基于以上优势，宽幅空心板梁得到广泛的应用，由于设计、施工等不合理因素，导致该类结构的裂缝频频出现并且形式多样。本次现场对呼和浩特市南二环延伸段部分预应力宽幅空心板梁进行病害检测时，发现多座桥梁底存在较严重的纵向裂缝。
考虑到梁端预应力锚固段局部应力集中，板梁横向效应较复杂，梁端纵向裂缝产生的主要原因是预应力的泊松效应，对此本文不做重点研究。本文重点分析近跨中段的纵向裂缝成因及防治方法。
本文针对南二环延伸段土默特大桥北幅桥20m跨宽幅预应力空心板梁为例，采用通用有限元软件ANSYS建立三维空间实体模型，模拟预应力钢束与混凝土间的相互作用，对梁底跨中纵向裂缝成因进行定性定量分析，并且给出两种加固方案，为类似工程的维修整治提供参考建议。
1、工程概况
土默特大桥南桥为一座偏东西走向的十二跨预应力空心板梁桥，上部结构共分3联，各联均为四跨先简支后连续预应力空心板梁，桥梁全长240.6m，跨径组合为12×20.0m。该桥上部结构每跨均由9片预应力空心板梁组成，梁高均为1.0m，中梁底宽为1.49m，边梁底宽为1.495m。空心板梁下设板式橡胶支座。空心板梁各跨中梁跨中截面底部布置有16根Ф15.2的预应力钢绞线，墩顶负弯矩区域布置有2束5Ф15.2的预应力钢绞线，梁端布置箍筋为4肢Ф10@75mm，各跨边梁跨中截面底部布置有18根Ф15.2的预应力钢绞线，墩顶负弯矩区域布置有2束5Aj15.2的预应力钢绞线，梁端布置箍筋为4肢Ф10@75mm。空心板梁和铰缝采用的C50混凝土。桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级。
中梁跨中截面示意图
边梁跨中截面示意图
图1桥梁横断面构造图单位：mm
2、空间模型
根据此次检查结果来看，该桥开裂最严重的是北幅桥8-9-9#空心板，裂缝基本位于空心板梁空腔处，最大宽度为0.30mm，已超过《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99-2003）规定的采用钢丝和钢绞线的预应力混凝土梁裂缝宽度限值0.10mm。梁底裂缝病害示意如图2所示。
图2空心板中梁梁底纵向裂缝示意图
采用有限元软件ANSYS进行建模计算，建模尺寸按实际1:1比例尺建立，选用整体式模型模拟钢筋混凝土，采用可以模拟开裂的solid65实体单元模拟C50钢筋混凝土，采用link8杆单元模拟预应力钢绞线。
（1）空心板模型横截面图
（2）空心板梁三维模型图
（3）三维模型边界条件示意图
图3空心板中梁模型示意图
根据相关文献，各跨空心板梁梁端底面纵向裂缝与混凝土收缩和温变荷载有关，所以本次模拟分析荷载工况主要分析恒载、活载、混凝土收缩、日照温差等工况组合。
3、计算分析及结果
注：本节应力图中单位为Pa；所提供的应力云图均为截面的横向应力,负号为压应力，正号为拉应力。
3.1工况1：恒载+预应力+活载
如图4所示，在基本组合作用下拉应力最大值（1.58Mpa）发生在内孔上缘，这是因为工况1下活载对顶板下缘的横向拉应力影响较显著。从底板横向应力来看，在纵向预应力作用下板底产生横向拉力且跨中处拉应力最小，越往外缘拉应力越大，到底板边缘处达到最大值（1.12Mpa），这是由于模型中梁体两端约束所致。
图4工况1板梁横向应力云图
3.2工况2：恒载+预应力+活载+收缩
如图5所示，中梁上下缘拉应力较工况1显著增大，内孔边缘拉应力减小。板梁底中线附近拉应力达到最大值（2.01Mpa），接近C50混凝土容许拉应力值。与图4相比，收缩作用引起的板底拉应力增幅不及预应力作用但比活载作用显著，说明预应力影响下的泊松效应只是产生这类裂缝的次要因素，主要因素是收缩作用。
图5工况2板梁横向应力云图
3.3工况3：恒载+预应力+活载+收缩+降温
如图6所示，此工况与实际情况最为接近，根据我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中规定的温差分布和有关文献要求，并结合此结构所处的地理位置和气候条件来确定降温所形成的温度场。因温差是相对值，仅需确定各个构件表面的温度即可确定温度场：顶板外表面受白天升温影响，降温较小取-5℃；腹板外侧受降温影响较大取-10℃底板取-8℃；板梁内孔表面取0℃。
从图6应力云图可以看出，在降温温变和收缩作用共同影响，板梁底板中线附近出现了近2.7Mpa的拉应力（C50混凝土容许拉应力值为2.79Mpa），这也就能较好的解释底板出现纵向裂缝的原因了。同样，在内孔上缘也出现了部分较大拉应力，也可能出现纵向裂缝，故对于内孔上缘也是检测中需要关注的部位。
图6工况3板梁横向应力云图
4、纵向裂缝成因分析
综合上述计算分析和类似桥梁的检测情况，并查阅相关文献资料，分析有以下几个方面因素导致这类宽幅空心板梁纵向开裂情况：
4.1 设计原因
该类桥设计由于经济因素制约，其底部板厚度较薄，薄壁构件在纵向预应力作用下其截面会发生畸变效应，同时在底板的上下缘产生畸变弯曲，当畸变弯曲应力超过混凝土的抗拉极限强度，就会导致混凝土的纵向裂缝。另外如果板梁底的横向构造钢筋设置较少，钢筋则无法阻止纵向裂缝的开展。
通过计算分析得知，由于该类空心板梁底板较宽，两侧腹板距离底板中心较远，对底板的抗畸变应力作用很小。如果预应力放张过快，底板内部应变无法很快达到自平衡，发生应变滞后，就导致局部裂缝产生释放能量。
4.2 施工原因
施工中，预应力钢绞线放张时混凝土强度未达到规定的要求，预应力对混凝土材料产生泊松效应，即在轴向压力下产生横向拉应力，此应力与空心板截面的畸变应力组合后大于混凝土材料的极限抗拉强度，这是纵向裂缝产生的主要原因。张拉时的预应力管道固定不牢固，钢束在混凝土浇筑后呈现高低起伏，则张拉预应力束后在混凝土表面产生局部开裂。另外，空心板梁底板混凝土中钢筋较密，粗骨料不易进入空腔最低处导致细骨料较多，此处也不易振捣，使空腔最低处混凝土横向收缩应力较其它处大，从而导致预应力空心板梁空腔最低处易产生纵向裂缝。
4.3 材料原因
混凝土材料在搅拌、运输、凝结、硬化过程中会释放出大量的热能，板梁混凝土内部体积因升温而膨胀，表面因暴露大气中温度低而体积收缩，当混凝土内部膨胀所产生的压应力和混凝土表面收缩产生的拉应力超过材料抗压和抗拉强度时，板梁表面就发生开裂现象。混凝土在凝结过程中，少部分水分由于水化反应逐步挥发，使得混凝土体积发生干缩（水泥的极限干缩接近3000微应变），这种干缩作用在混凝土内产生一定拉应力，一旦这种拉应力超出极限抗拉强度也会产生开裂。另外，该类型的桥梁所用混凝土设计标号较高，在混凝土配比设计时通常施工人员偏于保守，水泥用量往往超出规范值，由于水泥的用量增加，使得混凝土收缩量大，同样也造成表面容易产生裂缝。
4.4 管养原因
通过日常的病害检查发现，普通空心板梁采用的四个板式橡胶支座极易出现脱空甚至缺失。如果宽幅空心板梁出现支座脱空，梁体的整体受力将受到影响，板梁自身的抗扭力增大且在约束扭转的作用下截面产生畸变弯曲应力，这也会引起板梁底的纵向裂缝开展。
5、病害处治方法
通过上述分析，宽幅空心板梁底纵向裂缝主要是由混凝土的温变应力和收缩变形荷载引起的。经过对此前对同类桥梁荷载试验检测证实，梁底纵向裂缝对桥梁结构整体的极限承载能力影响不显著，但对结构耐久性不利，应及时对裂缝予以封闭。按照《公路桥涵养护规范》(JTGH12—2004)的要求，当裂缝宽度在限值范围内时（裂缝宽度限值一般可取0.15mm），一般涂刷渗透结晶型浆料封闭裂缝;当裂缝宽度大于限值规定时，采用压力灌浆法灌注环氧树脂胶或其它灌缝材料。
6、结 语
结合呼和浩特市南二环延伸段土默特大桥梁底出现纵向裂缝的病害，利用有限元ANSYS模型对宽幅空心板梁桥梁底纵缝的成因进行分析，并根据桥梁管养的特征，提出了三种经济有效的处治梁底纵缝的方法。通过本文研究提出以下结论和建议：
（1）对运营中的高等级公路桥梁出现梁体裂缝，应及时处治，提高梁体的耐久性和使用性能，增加社会经济效益。
（2）宽幅空心板梁底纵向裂缝主要是由混凝土的温变应力和收缩作用荷载引起的。梁底纵向裂缝对桥梁结构整体的极限承载能力影响不显著。但较严重的裂缝对结构的耐久性产生影响：裂缝的存在使得内部钢筋暴露在空气中，增加受力钢筋锈蚀的几率，也会降低构件的使用寿命。
（3）空心板梁梁底纵向裂缝根据裂缝宽度不同，可采取涂刷渗透结晶型浆料或采用压力灌胶对裂缝进行封闭，以提高结构的耐久性。
参考文献:
[1]赵华庆. 空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策[J]. 铁道建筑, 2011.03
[2]郭科. 预应力空心板桥底板纵向裂缝分析与加固对策[J]. 北方交通，2010.
[3]项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 人民交通出版社, 2001.
[4]混凝土空心板桥的分析研究[J].太原理工大学学报，2008,(1)
作者简介：张灵通(1965-)汉族，内蒙古呼和浩特人，工程师
關键词：纵向裂缝；宽幅空心板；ANSYS分析；碳纤维加固；
中图分类号：TV543文献标识码： A
在公路和城市中小跨桥梁中，预应力混凝土空心板梁是被广泛应用的一种结构形式。宽幅空心板梁相比普通的空心板梁桥更具有一定的优势：梁高相对较低、抗扭刚度大、结构的挖空率大、在施工和使用过程中稳定性好、自重轻、经济等优点。基于以上优势，宽幅空心板梁得到广泛的应用，由于设计、施工等不合理因素，导致该类结构的裂缝频频出现并且形式多样。本次现场对呼和浩特市南二环延伸段部分预应力宽幅空心板梁进行病害检测时，发现多座桥梁底存在较严重的纵向裂缝。
考虑到梁端预应力锚固段局部应力集中，板梁横向效应较复杂，梁端纵向裂缝产生的主要原因是预应力的泊松效应，对此本文不做重点研究。本文重点分析近跨中段的纵向裂缝成因及防治方法。
本文针对南二环延伸段土默特大桥北幅桥20m跨宽幅预应力空心板梁为例，采用通用有限元软件ANSYS建立三维空间实体模型，模拟预应力钢束与混凝土间的相互作用，对梁底跨中纵向裂缝成因进行定性定量分析，并且给出两种加固方案，为类似工程的维修整治提供参考建议。
1、工程概况
土默特大桥南桥为一座偏东西走向的十二跨预应力空心板梁桥，上部结构共分3联，各联均为四跨先简支后连续预应力空心板梁，桥梁全长240.6m，跨径组合为12×20.0m。该桥上部结构每跨均由9片预应力空心板梁组成，梁高均为1.0m，中梁底宽为1.49m，边梁底宽为1.495m。空心板梁下设板式橡胶支座。空心板梁各跨中梁跨中截面底部布置有16根Ф15.2的预应力钢绞线，墩顶负弯矩区域布置有2束5Ф15.2的预应力钢绞线，梁端布置箍筋为4肢Ф10@75mm，各跨边梁跨中截面底部布置有18根Ф15.2的预应力钢绞线，墩顶负弯矩区域布置有2束5Aj15.2的预应力钢绞线，梁端布置箍筋为4肢Ф10@75mm。空心板梁和铰缝采用的C50混凝土。桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级。
中梁跨中截面示意图
边梁跨中截面示意图
图1桥梁横断面构造图单位：mm
2、空间模型
根据此次检查结果来看，该桥开裂最严重的是北幅桥8-9-9#空心板，裂缝基本位于空心板梁空腔处，最大宽度为0.30mm，已超过《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99-2003）规定的采用钢丝和钢绞线的预应力混凝土梁裂缝宽度限值0.10mm。梁底裂缝病害示意如图2所示。
图2空心板中梁梁底纵向裂缝示意图
采用有限元软件ANSYS进行建模计算，建模尺寸按实际1:1比例尺建立，选用整体式模型模拟钢筋混凝土，采用可以模拟开裂的solid65实体单元模拟C50钢筋混凝土，采用link8杆单元模拟预应力钢绞线。
（1）空心板模型横截面图
（2）空心板梁三维模型图
（3）三维模型边界条件示意图
图3空心板中梁模型示意图
根据相关文献，各跨空心板梁梁端底面纵向裂缝与混凝土收缩和温变荷载有关，所以本次模拟分析荷载工况主要分析恒载、活载、混凝土收缩、日照温差等工况组合。
3、计算分析及结果
注：本节应力图中单位为Pa；所提供的应力云图均为截面的横向应力,负号为压应力，正号为拉应力。
3.1工况1：恒载+预应力+活载
如图4所示，在基本组合作用下拉应力最大值（1.58Mpa）发生在内孔上缘，这是因为工况1下活载对顶板下缘的横向拉应力影响较显著。从底板横向应力来看，在纵向预应力作用下板底产生横向拉力且跨中处拉应力最小，越往外缘拉应力越大，到底板边缘处达到最大值（1.12Mpa），这是由于模型中梁体两端约束所致。
图4工况1板梁横向应力云图
3.2工况2：恒载+预应力+活载+收缩
如图5所示，中梁上下缘拉应力较工况1显著增大，内孔边缘拉应力减小。板梁底中线附近拉应力达到最大值（2.01Mpa），接近C50混凝土容许拉应力值。与图4相比，收缩作用引起的板底拉应力增幅不及预应力作用但比活载作用显著，说明预应力影响下的泊松效应只是产生这类裂缝的次要因素，主要因素是收缩作用。
图5工况2板梁横向应力云图
3.3工况3：恒载+预应力+活载+收缩+降温
如图6所示，此工况与实际情况最为接近，根据我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中规定的温差分布和有关文献要求，并结合此结构所处的地理位置和气候条件来确定降温所形成的温度场。因温差是相对值，仅需确定各个构件表面的温度即可确定温度场：顶板外表面受白天升温影响，降温较小取-5℃；腹板外侧受降温影响较大取-10℃底板取-8℃；板梁内孔表面取0℃。
从图6应力云图可以看出，在降温温变和收缩作用共同影响，板梁底板中线附近出现了近2.7Mpa的拉应力（C50混凝土容许拉应力值为2.79Mpa），这也就能较好的解释底板出现纵向裂缝的原因了。同样，在内孔上缘也出现了部分较大拉应力，也可能出现纵向裂缝，故对于内孔上缘也是检测中需要关注的部位。
图6工况3板梁横向应力云图
4、纵向裂缝成因分析
综合上述计算分析和类似桥梁的检测情况，并查阅相关文献资料，分析有以下几个方面因素导致这类宽幅空心板梁纵向开裂情况：
4.1 设计原因
该类桥设计由于经济因素制约，其底部板厚度较薄，薄壁构件在纵向预应力作用下其截面会发生畸变效应，同时在底板的上下缘产生畸变弯曲，当畸变弯曲应力超过混凝土的抗拉极限强度，就会导致混凝土的纵向裂缝。另外如果板梁底的横向构造钢筋设置较少，钢筋则无法阻止纵向裂缝的开展。
通过计算分析得知，由于该类空心板梁底板较宽，两侧腹板距离底板中心较远，对底板的抗畸变应力作用很小。如果预应力放张过快，底板内部应变无法很快达到自平衡，发生应变滞后，就导致局部裂缝产生释放能量。
4.2 施工原因
施工中，预应力钢绞线放张时混凝土强度未达到规定的要求，预应力对混凝土材料产生泊松效应，即在轴向压力下产生横向拉应力，此应力与空心板截面的畸变应力组合后大于混凝土材料的极限抗拉强度，这是纵向裂缝产生的主要原因。张拉时的预应力管道固定不牢固，钢束在混凝土浇筑后呈现高低起伏，则张拉预应力束后在混凝土表面产生局部开裂。另外，空心板梁底板混凝土中钢筋较密，粗骨料不易进入空腔最低处导致细骨料较多，此处也不易振捣，使空腔最低处混凝土横向收缩应力较其它处大，从而导致预应力空心板梁空腔最低处易产生纵向裂缝。
4.3 材料原因
混凝土材料在搅拌、运输、凝结、硬化过程中会释放出大量的热能，板梁混凝土内部体积因升温而膨胀，表面因暴露大气中温度低而体积收缩，当混凝土内部膨胀所产生的压应力和混凝土表面收缩产生的拉应力超过材料抗压和抗拉强度时，板梁表面就发生开裂现象。混凝土在凝结过程中，少部分水分由于水化反应逐步挥发，使得混凝土体积发生干缩（水泥的极限干缩接近3000微应变），这种干缩作用在混凝土内产生一定拉应力，一旦这种拉应力超出极限抗拉强度也会产生开裂。另外，该类型的桥梁所用混凝土设计标号较高，在混凝土配比设计时通常施工人员偏于保守，水泥用量往往超出规范值，由于水泥的用量增加，使得混凝土收缩量大，同样也造成表面容易产生裂缝。
4.4 管养原因
通过日常的病害检查发现，普通空心板梁采用的四个板式橡胶支座极易出现脱空甚至缺失。如果宽幅空心板梁出现支座脱空，梁体的整体受力将受到影响，板梁自身的抗扭力增大且在约束扭转的作用下截面产生畸变弯曲应力，这也会引起板梁底的纵向裂缝开展。
5、病害处治方法
通过上述分析，宽幅空心板梁底纵向裂缝主要是由混凝土的温变应力和收缩变形荷载引起的。经过对此前对同类桥梁荷载试验检测证实，梁底纵向裂缝对桥梁结构整体的极限承载能力影响不显著，但对结构耐久性不利，应及时对裂缝予以封闭。按照《公路桥涵养护规范》(JTGH12—2004)的要求，当裂缝宽度在限值范围内时（裂缝宽度限值一般可取0.15mm），一般涂刷渗透结晶型浆料封闭裂缝;当裂缝宽度大于限值规定时，采用压力灌浆法灌注环氧树脂胶或其它灌缝材料。
6、结 语
结合呼和浩特市南二环延伸段土默特大桥梁底出现纵向裂缝的病害，利用有限元ANSYS模型对宽幅空心板梁桥梁底纵缝的成因进行分析，并根据桥梁管养的特征，提出了三种经济有效的处治梁底纵缝的方法。通过本文研究提出以下结论和建议：
（1）对运营中的高等级公路桥梁出现梁体裂缝，应及时处治，提高梁体的耐久性和使用性能，增加社会经济效益。
（2）宽幅空心板梁底纵向裂缝主要是由混凝土的温变应力和收缩作用荷载引起的。梁底纵向裂缝对桥梁结构整体的极限承载能力影响不显著。但较严重的裂缝对结构的耐久性产生影响：裂缝的存在使得内部钢筋暴露在空气中，增加受力钢筋锈蚀的几率，也会降低构件的使用寿命。
（3）空心板梁梁底纵向裂缝根据裂缝宽度不同，可采取涂刷渗透结晶型浆料或采用压力灌胶对裂缝进行封闭，以提高结构的耐久性。
参考文献:
[1]赵华庆. 空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策[J]. 铁道建筑, 2011.03
[2]郭科. 预应力空心板桥底板纵向裂缝分析与加固对策[J]. 北方交通，2010.
[3]项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 人民交通出版社, 2001.
[4]混凝土空心板桥的分析研究[J].太原理工大学学报，2008,(1)
作者简介：张灵通(1965-)汉族，内蒙古呼和浩特人，工程师