后张预应力简支梁沿管道混凝土裂缝成因浅析

后张预应力简支梁沿管道混凝土裂缝成因浅析

作者：孙晓

来源：《科学与财富》2011年第04期

[摘 要] 混凝土在小的变形尺度里一般表现为线弹性，它的基本材料为弹塑性，所以用弹性理论对弹性阶段进行分析具有合理性。混凝土随着压或者拉的应变变化而呈现出非线性的特征，致使塑性容易产生开裂的情况发生。由于其抗压强度低于抗压强度的比率非常明显，仅为1／10左右，所以，当外部变形或外界受力后的变形后，产生的巨大的拉应力高于混凝土所受抗拉强度的最大限度值时，就会导致混凝土裂缝现象的发生，并对混凝土结构的耐久性产生重要的不利影响。因此，本文对后张预应力简支梁沿管道混凝土裂缝成因进行简要的分析，希望能给今后工程实践中避免出现类似裂缝提供参考。 [关键词] 后张预应力 简支梁 混凝土 裂缝 成因 一.概述

混凝土在小的变形尺度里一般表现为线弹性，它的基本材料为弹塑性，所以用弹性理论对弹性阶段进行分析具有合理性。混凝土随着压或者拉的应变变化而呈现出非线性的特征，致使塑性容易产生开裂的情况发生。由于其抗压强度低于抗压强度的比率非常明显，仅为1／10左右，所以，当外部变形或外界受力后的变形后，产生的巨大的拉应力高于混凝土所受抗拉强度的最大限度值时，就会导致混凝土裂缝现象的发生，并对混凝土结构的耐久性产生重要的不利影响。

因此，裂缝防治的问题日益受到土木工程技术人员及研究者、运营单位等方面的关注。导致混凝土结构产生裂缝的因素错综复杂，并且元素众多，导致每种类型裂缝的产生都有一种及多种因素。作者认为导致该地预应力混凝土简支梁产生裂缝的主要因素是恒载徐变收缩（包括预加应力和桥梁自重）、干燥风力致使混凝土干缩、灌浆冻胀、梁体表面温度变化剧烈等引起。由于调查的过程中还没有进行正式通车运营，所以暂不考虑活载因素。由于梁体简支为静定结构，故对超静定结构中特有的内力因素不做探讨。

对施工环境的变化，其具体的特征为：日温差大，紫外线照射强烈，大风天数较多。经常有四级以上风且气候变化无常。虽然相对湿度50％左右，但存在干湿变化频繁的问题，致使混凝土产生不可恢复的一些变形，当变形受到限制时，会造成混凝土产生裂缝。特别突出的是预应力后张梁沿管道产生裂缝。经调查统计，出现裂缝的梁体裂缝大部分在1～3 m，最长的几乎贯穿全梁，裂纹的宽度多数在0．2 mm以下。虽然这些裂纹不会影响结构的安全和近期使用，但会直接影响结构的耐久性。因此分析研究裂纹产生的原因极其预防对策尤为重要。本文试图从预加应力和混凝土失水收缩两方面就沿预应力管道裂缝的成因进行浅析。

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二.沿管道裂缝产生原因分析： 1、预应力的影响

根据调查结果，该铁路的预应力混凝士后张粱产生的裂缝大部分发生在梁跨中，在跨中开裂的趋向大于梁端。根据某桥梁厂生产的开裂梁样本调查，在跨中开裂的比例占所调查开裂梁数量的77．73％，梁端开裂的占7．27％，且裂缝主要沿着腹板处的预应力管道分布。主要的原因是在预应力的作用下沿着波纹管方向混凝土处于受压状态，而垂直于波纹管方向处于自由状态。则可认为混凝土在这些方向产生应变。作者认为可等效于在垂直于波纹管受有分布的拉应力作用，由于已经将沿波纹管的预应力产生的垂直于波纹管的应变等效为垂直于波纹管受有分布的拉应力作用，所以任意取腹板一个管道附近的一段薄的梁截面，可认为此截面看作带圆孔薄板的均匀拉伸。故利用由弹性力学极坐标解答：设平板在x方向受均匀拉力q作用，用板内一个半径为a的小圆孔模拟预应力管道截面。圆孔的存在，必然对应力分布产生影响。 由于引起混凝土开裂主要应力为拉应力，由于沿着波纹管方向已有的由预加应力产生的压应力可以抵消该方向拉应力，因此沿着波纹管方向拉应力引起竖向的裂缝就比较少。而垂直于管道方向无压应力的抵消作用，由各向同性弹性体的体应变胡克定律中z方向作用外力时在x和y方向产生的应变和如上所述的原理，管边将存在拉应力集中现象。由于波纹管较粗，简支T梁腹板较薄，即使腹板边缘也很靠近波纹管的应力集中区，则使得的该方向的拉应力比较大，超过混凝土的允许抗拉强度时就会开裂，所以对腹板混凝土产生较大的拉应力使腹板处容易沿管道方向开裂。预加拉力过大或过早，梁体腹部混凝土保护层较薄，靠近波纹管应力集中区域。预应力施加后由于沿管道的腹板断面减弱，其抵抗能力相对降低。预应力筋张拉是预应力简支梁预制过程最为关键，考虑混凝土徐变收缩、钢绞线蠕变、管道摩阻等几项常见预应力损失时，要求在预加应力时进行超张拉，张拉力设计值由计算确定，超张拉拉力过大或过早，则可能使梁体上翼缘混凝土产生竖向裂纹，腹板混凝土产生沿管道纵向裂纹，还可能使预应力筋出现很大塑性变形而易于断裂。 2．失水收缩(干缩)的影响：

混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为失水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件( 超过3％)，钢筋对混凝土收缩的约束比较明显。大风干燥、日照强烈、一日四季的天气变化。干燥的大风天气导致水分蒸发快，相对湿度小，导致梁体在太阳暴晒下干燥收缩加大，加之梁所用胶凝材料用量高(480 kg／m3)，铁路梁体砼材料采用了高性能混凝土，主要是在混凝土中掺入了高性能砼添加剂和粉煤灰，胶凝材料总量达到480 kg／m3。由于目前水泥细度偏细，在加上沿线强辐射和干燥，必然加大砼干缩。可能由于胶凝材料用量过大，或掺入粉煤灰、硅灰导致砼收缩加大，引发裂缝的开展。更增加了砼的收缩开裂。

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混凝土的干缩也是引发沿管道裂纹的主要因素之一。此外，由于施工地区白昼温差的变化，太阳辐射强烈。因此，每天的冷热交变可能使梁体内外、阴阳面温度差一时刻的温差必然产生较大的温度应力。由于纵向有预应力作用不会产生拉应力，但横向(特别是在沿管道薄弱断面)将产生较大拉应力。该应力与横向压应变产生的拉应力叠加也是导致沿管道开裂的主要因素之一。 三．结语：

铁路桥梁预应力混凝士后张法简支梁沿管道裂纹是由干燥环境气候、预加应力和梁体特征等多种因综合下产生多种应力的叠加形成的。 超张拉时预加的拉力过大或过早使本来就有管道边缘应力集中的腹板沿管道混凝土拉应力值过大。加上该类型梁腹板较薄等因素，使得梁体过早产生裂缝，会严重影响混凝土结构的耐久性，导致安全隐患,所以要予以高度重视。进行分析研究此类环境下后张法预应力简支梁梁体裂缝形成的原因，在未来的梁体构造的设计和预制施工中吸取实际经验，采取更加合理的方法，来避免和减轻这类影响桥梁耐久性的裂缝。 参考文献：

1《寒旱地区抗裂混凝土研究》兰州交通大学土木学院 王起才2006.1 2《混凝土的收缩》黄国兴 惠荣炎 1990.3 ■