钢板组合梁墩顶现浇面板底部裂缝成因分析

1 工程概况

台州市某城市高架桥梁全长21.0 km，桥梁上部结构全部采用钢板组合梁结构，钢板梁标准跨径采用35 m、32.5 m和30 m，路口、河道等控制点采用40 m、50 m、60 m、70 m跨径跨越，2~5跨为一联，联端设有伸缩缝，联中每跨钢板梁采用螺栓连接，将接头设置在盖梁外侧4 m位置，钢梁分左右两幅，每幅4片钢梁，先在地面两两焊接成一组，单侧两组钢梁吊装到位后再采用横隔梁栓接成整体。钢板梁一般高度为1.65~2.85 m。钢板梁上部采用跨中安装预制桥面板、墩顶段现浇面板的设计方案。先安装预制面板，然后浇筑板缝混凝土，在板缝混凝土达到设计强度和弹性模量的80 %以后，再浇筑墩顶混凝土，在墩顶混凝土达到设计强度和弹性模量的80 %以后，开始同步落梁。

本项目钢板组合梁设计采用先预抬高每联中间段钢梁，使一联钢板梁成拱形结构，在完成面板、板缝及墩顶混凝土后，再进行同步落梁施工的设计方案。钢板梁预拱度设置如图1所示。

图1 钢主梁预拱度示意

2 现场裂缝监测

176~179号墩（3跨×35 m）现浇墩顶面板于2020年4月20日完成施工后，并于4月27日拆除底模，未发现裂缝，经过一段时间，发现现浇墩顶面板底部出现细微裂缝，项目部对裂缝发展情况进行了监测，裂缝规律如下：（1）桥面板裂缝仅出现在现浇混凝土中，目前预制桥面板中未发现裂缝；（2）裂缝仅出现在桥面板底部，目前顶面未发现裂缝；（3）新拆模混凝土底板裂缝少，甚至未观察到裂缝；（4）桥梁墩顶现浇面板底部裂缝多为斜向裂缝或横向裂缝；（5）落梁后未见裂缝增多，裂缝宽度无明显变化；（6）裂缝普遍分布在桥面板底面，深度为2~5 mm。

3 测试分析

分析对象：4跨×35 m跨径的双向四车道八主梁形式钢板组合梁桥。

3.1 测试与分析主要内容

对中墩处现浇段桥面板的顶、底面进行应变和温度监测。

3.2 测点布置

第64联—跨径4跨×35 m，墩号为214号。

在214号墩顶附近布置11个横向应力及温度监测点。

3.3 测试设备

桥面板应力及温度监测采用JM–212系列表贴式应变计，应变计内置智能记忆芯片，可识别传感器身份，记忆传感器参数，其内置温度元件可同时监测点位处的温度。

现场安装时将应变计的两固定座用专用胶粘接在桥面板表面，当受力时，应变计随之产生应变，根据应变量就可以计算出测点处的应力。

3.4 测试结果

现场对现浇面板顶底板温度和应力进行了连续8 d的监测，监测数据分析如下。（1）混凝土桥面板昼夜整体最大温差20.1 ℃。（2）混凝土桥面板顶、底面存在一定的温差，最大温差12.2 ℃。（3）在无显著施工荷载作用下，214号墩桥面板底面的横向应力值增量偏大，最大值为3.83 MPa。（4）桥面板的横向应力均与结构温度表现出一定的中度正相关性，相关系数为0.5~0.8。

4 结构复核验算

根据裂缝形态及分布位置，初步认为温度和混凝土收缩作用均是产生混凝土裂缝的原因，因此采用有限元软件建立全桥模型，计算在自重、整体升温、正梯度温度、混凝土收缩作用、沉降作用下的组合梁桥受力情况，重点分析现浇混凝土桥面板的受力情况。

4.1 结构离散化模型

采用midas Civil进行钢板组合梁的施工阶段精细化分析，混凝土和钢板均采用实体单元，共设78 018个节点、52 084个单元。钢板与混凝土采用弹性连接。

4.2 自重

墩顶现浇桥面板底面横向拉应力为0.1~0.2 MPa，其值较小，后期组合不考虑该效应。

4.3 整体升温

在整体温差20 ℃条件下，墩顶现浇桥面板底面横向拉应力约0.1 MPa，其值较小，后期组合不考虑该效应。

4.4 梯度温差

4.4.1 温度梯度取值

目前规范未对施工无铺装的结构提出梯度效应计算要求和梯度取值。5月20日上午10点桥面板上底面温差最大12.2 ℃。

4.4.2 正温度梯度效应计算

（1）纵向应力。墩顶现浇桥面板顶面纵向压应力约5.3 MPa，底面纵向拉应力1.9 MPa，约为常规梁单元计算结果的1.25倍，基本相当。

（2）横向应力。在正温度梯度作用下，墩顶处桥面板底面将产生横向拉应力，墩顶附近相对较大，约2.5 MPa。

4.5 收缩作用

4.5.1 收缩作用取值

目前基于实体单元的混凝土收缩效应计算还没有成熟的算法，参考JTGD 60—2015《公路桥涵设计通用规范》，可用降温进行模拟：64联钢板组合梁现浇段混凝土，龄期约114 d（截至5月5日），与预制桥面板的龄期差异在180 d以上，因此按降温10 ℃考虑收缩作用，同时不再考虑预制桥面板的收缩效应。

4.5.2 收缩作用效应计算

（1）纵向应力。收缩作用下，墩顶现浇桥面板底面将产生纵向拉应力，墩顶附近相对较大，为0.6~0.8 MPa。

（2）横向应力。在收缩作用下，墩顶现浇桥面板底面将产生横向拉应力，墩顶附近较小，约0.3~0.5 MPa，靠近预制面板处相对较大，为1.1~1.2 MPa。

4.6 沉降作用

本联箱梁连续墩预顶升了21cm，支座回落按沉降进行模拟。不考虑同步千斤顶的不均匀落梁误差。中墩顶桥面板顶面纵向压应力约3.6 MPa，与常规梁单元计算的3.5 MPa基本一致。由于泊松比引起的桥面板横向应力，其值较小，后期的组合中不再考虑。

4.7 正温度梯度+收缩作用组合

从单项作用的结果来看，正温度梯度和现浇桥面板混凝土的收缩对桥面板底面横向应力影响较大，其他较小，因此仅对这两个作用进行组合。

1号区、3号区现浇段混凝土距接缝1 m处横向拉应力为1.9 MPa，接近C40混凝土的抗拉强度标准值为2.4 MPa的75 %，2号区为3.2 MPa，则超过了2.4 MPa，可能导致混凝土开裂。

靠近中支点的桥面板纵横向主应力均较大，体现为双向板，可能出现斜向开裂。越靠近预制桥面板，现浇桥面板越体现单向板受力特征，主应力方向主要为横向，可能出现纵向开裂。

5 成因分析及对策

5.1 成因分析

根据现场的实测温度数据分析，在施工过程中，钢板组合梁中混凝土板的温度梯度要高于国家现行规范规定值，在施工现场温度梯度作用下，负弯矩区现浇段混凝土主拉应力为2.50 MPa，超过C40混凝土抗拉强度标准值2.40 MPa，是导致早期裂缝的一个主要原因。

收缩作用在现浇面板底部产生0.5 MPa拉应力，也是现浇面板底部可能产生裂缝的一个原因。自重、整体升温、沉降作用，均在面板底部产生拉应力，但其值均较小，0.1 MPa左右，不是影响现浇桥面板底部裂缝的关键因素。

综上所述，正温度梯度与现浇桥面板混凝土的收缩作用对桥面板横向应力影响较大，在组合下，2号区在距中支点1 m处桥面板底面横向正应力约3.0 MPa，距接缝1 m处约3.2 MPa，超过C40混凝土抗拉强度标准值为2.40 MPa，可能导致混凝土开裂，且墩顶附近为斜向开裂，接缝附近为纵向开裂。

5.2 对策措施

（1）进一步研究材料配合比设计，增加膨胀剂掺量至14 %，同时采用低水化热水泥，减少混凝土收缩。

（2）采取必要的遮阴、降温措施，在现浇面板顶部设置遮阳棚，同时在现浇面板顶部覆盖多层土工织物遮阳，将底模拆除时间增加至14 d，减少正温度梯度的不利影响。

（3）进一步加强养护，采取保温措施，减少新混凝土与老混凝土、混凝土与钢梁的温差。

（4）考虑进行混凝土拌和降温，并选择气温较低的时刻进行浇筑，以尽量降低混凝土的浇筑温度。

（5）进一步加强混凝土振捣，力求混凝土均匀、密实。

通过以上措施，后期浇筑的现浇面板，底部裂缝明显减少，效果显著。

6 结论

本研究以某4跨×35 m连续钢板组合梁背景，对实桥进行监测，并使用midas Civil软件建立全桥有限元模型，计算分析负弯矩区现浇段混凝土裂缝产生的原因。

结果表明，混凝土桥面板的梯度温度和混凝土收缩效应均会引起混凝土桥面板底部受拉，它们耦合起来的效应是导致早期现浇面板底部裂缝的一个主要原因。此外，底模支架沉降、面板底部养护不到位等原因，也可能导致混凝土开裂。针对钢–混凝土组合结构桥梁，提出了一些减少混凝土开裂的措施与方法。