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来源：职称驿站所属分类：材料科学论文 发布时间：2012-10-25浏览：34次
摘要：针对后张预应力空心板预应力钢绞线处沿梁长方向出现纵向裂缝，本文结合试验和有限元方法，分别对理想的无损的和有裂缝预应力空心板进行对比分析，得出了设计和施工偏差对空心板力学性能的影响，在工程实践中具有重要意义。
关键词：施工偏差，纵向裂缝，预应力空心板，力学性能
1概述
某30米跨径的后张预应力空心板在运营的过程中出现问题，即在运营一定时期后，发现梁底面纵向预应力钢绞线位置处沿梁长方向出现纵向裂缝，裂缝长度有的竟然沿梁长贯通。空心板表面出现裂缝会严重削弱空心板的质量，如削弱空心板受力截面，影响空心板承受荷载的能力；进一步加深钢绞线和钢筋的锈蚀，影响空心板的使用寿命；拉区混凝土对梁刚度的增强作用也随着裂缝的发展而逐渐丧失，并造成钢筋与混凝土粘结力的破坏。本文通过对30米跨径的后张预应力空心板的静力加载试验，结合有限元模型分析，研究了30m跨径预应力空心板在设计和施工偏差对空心板力学性能的影响。
2纵向裂缝产生的原因[1]
纵向裂缝较多地出现在箱梁的顶、底板上，顺桥向，有的纵缝连续贯通较长，有的则不连续且较短。产生原因主要有以下几类：
（1）混凝土硬化期间的纵向裂缝
多出现在悬臂节段浇筑施工时底板较厚的梁根部，拆模后即发现底板下缘存在纵向缝。这种裂缝产生的原因是由于温差引起的应力(自平衡应力)高于缓慢提高的混凝土抗拉强度。
（2）运营期间出现的纵向裂缝
本工程纵向裂缝产生的主要原因：顺桥向的永存预应力过大。目前相当一部分工程把最小压应力的储备留得过大，甚至留有10MPa以上，似乎压应力储备的大就较安全，但实际却恰恰相反，容易导致纵向裂缝的产生。
构件在承受轴向力时，轴向长度因弹性压缩而缩短，而与其垂直方向将因材料的泊松比而产生拉应变。如果正应力储备过大，就会在其垂直方向发生较大的拉应变，在最薄弱的截面，往往是沿顶应力管道因拉应力过大而出现纵向裂缝，这种裂缝沿顺桥向预应力管道而发展，下渗之水会沿管流动，造成锈蚀的威胁远大于垂直裂缝。
3预应力空心板的应力分析[2~3]
3.1试验梁的设计与制作
预应力空心板长度30m，跨度29.25m，宽度1.44m，高度1.30m，按公路I设计，横断面尺寸如图3-1所示。混凝土设计标号为C40。
图3-1横截面尺寸
在我国现有管理体制和施工水平条件下，桥梁设计与施工的偏差是普遍存在的，以下结合试验数据对比了有无损伤的空心板梁的力学性能。
3.2理想无损伤预应力空心板的应力分析[4～8]
模型的建立与施工过程应力分析：
将30m跨径预应力空心板进行有限元分析，将其划分为边长为0.5m的四边形或三角形单元，见图3-2。
图3-2（a）混凝土部分单元划分示意图图3-2（b）预应力钢绞线划分单元示意图
图3-2预应力空心板划分的单元示意图
将预应力空心板用实体进行建模，其中预应力钢绞线也分别用实体进行建模，其横截面积与试验梁的预应力束的横截面积相同，模型中预应力钢束的保护层厚度同试验梁的保护层厚度，保证预应力钢绞线和混凝土之间协调变形，图3-3反应了张拉后空心板的力学性能.
图3-3张拉钢绞线后空心板的应力图图3-4张拉钢绞线后出现纵向裂缝（试验梁）的位置
由图3-4可以看出，张拉钢绞线后在底板纵向钢绞线的底部出现了一些微裂缝。分析出现的原因主要是由于底板预应力钢绞线的保护层不足，导致底板混凝土沿预应力钢绞线的方向发生开裂。所以，在试验中出现的情况并不是特殊情况，应该是普遍存在的情况。
3.3使用阶段的受力分析
图3-514t时的变形图图3-6加载到19t时的变形图
表3.1加载变形比较表
从表中看出在使用荷载作用下，整个试验梁处于弹性状态，应力状态与理论计算值基本吻合。
当再增加荷载，受拉区混凝土就出现可见裂缝，这时的裂缝大约为0.01～0.02mm。由于预应力空心板的底板比较薄，对其施工要求相对较高。在按照设计建造的模型进行分析得到：在张拉钢绞线之后，板的底板出现了些微裂缝，但基本上并不影响整个结构的短期力学性能。在使用荷载作用下，预应力空心板的受力性能较好，整个试验梁基本上处于弹性状态。
从该模型可以得出以下几点结论：
（1）按照正常的张拉程序对其施加预应力，模型的底板纵向钢绞线位置处出现纵向裂缝，而且在底板混凝土变高度的位置，这与前面分析得到的底板出现裂缝的原因吻合；
（2）在进行静力加载过程中，而且在使用荷载作用下，整个模型也还是处于弹性状态，底板边缘混凝土受拉但未超出其抗拉强度；在加载到21t时，模型底板边缘混凝土受拉并超过其抗拉强度，出现正裂缝，与计算结果相同；
由于试验当中出现正裂缝的吨位是在14t，这与模型当中出现的吨位相差甚远，究其原因主要是在试验当中的试验梁在梁底板出现了纵向裂缝，在重复循环荷载作用下，裂缝处预应力钢绞线与混凝土之间的粘结力退化所致。
3.4有纵向裂缝的预应力空心板的应力分析
为了研究底板的纵向裂缝对整个预应力空心板的短期力学性能的影响，将模型进行修改，在梁底板纵向预应力钢绞线的位置处的混凝土中做出一条纵向裂缝，其长度与试验梁实测的裂缝长度相同，长为40cm，其裂缝深度到达预应力钢束的表面，其他材料参数同上一个模型[4~5]。
按照施工工序对模型进行施加预应力，然后在对模型进行静力加载，观察其变形和应力情况，并将该模型和上一个模型的计算结果进行比较。
图3-7张拉钢绞线后的变形图图3-8加载到16t时的变形
图3-9两种模型P—&关系比较图3-10两种模型P—f关系比较
从图中可以看出，有裂缝时的变形比无裂缝时的变形大，分析主要原因有以下几点：
（1）由于底板有纵向裂缝，在重复荷载作用下波纹管与混凝土之间的粘结性能降低；
（2）由于底板的纵向裂缝使得预应力钢束与混凝土之间的协调变形能力降低，在加载过程中，下边缘的混凝土拉应力相对无裂缝时有较大的增长，导致试验梁底板边缘混凝土未达到使用荷载时就出现开裂现象。
（3）理想无损模型正截面开裂荷载较有裂缝模型的大，做出人工裂缝的模型加载到14t时，底板边缘混凝土已经开裂，而此时无损模型并未开裂，纵向裂缝的存在使得开裂荷载提前。有裂缝模型开裂荷载比理想无损模型开裂荷载提前24％左右。
5结论
通过理想的无损模型和有裂缝模型的对比分析，得出以下几点结论：
(1)理想的无损模型按照正常的施工过程，在底板出现纵向裂缝，说明设计本身上存在偏差，主要是忽略了由于柏松效应纵向压应力在底板横向产生较大的拉应力。
(2)有裂缝模型与理想的无损模型的对比，可以看出，有裂缝模型的开裂荷载比理想模型的开裂荷载小24％。
(3)由于施工偏差，底板横向应力大于混凝土的抗拉强度，底板横向应力施工偏差模型比设计模型大4.44％。
参考文献
1. 楼庄鸿．论预应力混凝土梁桥的裂缝[J]，公路交通科技，2000.6，Vol.17No6：49～52；
2. 研究报告中交公路规划设计院．预应力混凝土梁桥裂缝成因分析[J]．1998；
3. 吕志涛，杨建明．部分预应力混凝土框架结构的预应力度及配筋选择[J]．建筑结构，1993（9）：33～36；
4.张剑，多梁式混凝土梁桥的极限承载力研究[学位论文],2007,东南大学
5.张德锋，茅振伟．预应力混凝土结构裂缝控制及其可靠性分析[J]，2003年第33卷，第4期：28～31；
《预应力空心板试验分析》
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文章名称： 预应力空心板试验分析
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