预应力空心板试验分析

　　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。

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