预制节段箱梁存储期间裂缝变形控制技术研究

陈 欣，谢利宝，冯晓楠

(1. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112； 2. 江苏省交通运输综合行政执法监督局，南京 210008)

通过对构件工业化制造和装配化施工，可显著加快预制装配式桥梁的施工进度，从而减少交通干扰，因此预制装配式桥梁在市政工程建设中得以快速推广[1-3]。

目前国内学者主要针对预制节段箱梁存储和施工期间的力学性能开展相关研究。宰国军等[4]运用力学知识和工程实例研究不同温度下箱梁存储的力学性能，结果表明支承方式不当和温度骤降是导致梁体开裂的主要原因，并提出相应处置措施。陈璋等[5]对超宽预制混凝土边箱梁的施工过程进行研究，结果表明条形支承对梁体局部受力有利，但难以控制梁体的扭转受力，而方形支承在施工过程中受力明确，可有效解决支承处底板局部受力问题。国外目前主要针对预制节段箱梁存储期间的收缩徐变效应开展相关研究。Bažant等[6]考虑到预制节段箱梁的非线性和老化问题，计算其在存储期间的相对湿度分布，研究干燥收缩和徐变对预制节段箱梁应力分布的影响，通过实际工程发现干燥收缩对应力分布的影响更大，工程中须将干燥收缩问题考虑在内。

目前针对预制节段箱梁存储期间裂缝变形控制的研究较少，然而不合理的支承布置平面位置、箱梁叠放层数以及支承相对高差会导致预制节段箱梁产生裂缝和变形，影响工程质量，甚至引发工程事故。因此有必要开展预制节段箱梁存储期间裂缝变形控制研究，以确保预制节段箱梁在存储期间的安全稳定。

1 预制节段箱梁存储现状

预制节段箱梁常规存储方式如图1所示，预制节段箱梁存储时应用垫木或混凝土块垫实，不可直接放置于地面。

(a) 预制节段箱梁叠放

《装配式混凝土箱梁桥设计与施工技术规范》(DB41/T 1847—2019)[7]中规定：①预制混凝土节段箱梁宜采用叠放的存储方式；②预制节段箱梁的叠放层数不宜超过2层。此外，《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)[8]中规定：①预制承重构件的叠放层数一般以2层为宜，不应超过3层；②预制节段箱梁叠放时，层与层之间应以垫木隔开，上下层支承应在同一竖直线上。PCIdesignhandbook:precastandprestressedconcrete(《预制和预应力混凝土设计手册》)[9]中规定：①预制构件应放置在支承上，不得直接放置于地面；②运输和存储期间的支承位置应一致，误差应控制在0.762 m内。

国内外规范目前只对预制节段箱梁的存储方式提出了大致要求，针对支承布置平面位置和支承相对高差未有详细规定。不合理的支承布置平面位置会导致箱梁产生裂缝，而支承相对高差过大会导致箱梁的扭转甚至倾覆。因此本研究以南京长江五桥为工程背景，比选不同的支承布置平面位置、箱梁叠放层数以及支承相对高差，提出相应的控制指标，从而避免预制节段箱梁存储期间产生裂缝和变形。

2 工程概况

南京长江五桥引桥采用标准跨度为52 m和42 m 的预应力混凝土连续梁桥，单箱单室预制节段箱梁顶板宽为14.9 m，底板宽为5.5 m，顶板厚度为27 cm，边腹板厚度为50 cm。单箱双室预制节段箱梁顶板宽为18.65 m，底板宽为9.25 m，顶板厚度为27 cm，边腹板厚度为50 cm，中腹板厚度为40 cm。预制节段箱梁采用C50混凝土，横向和纵向采用直径为16 mm的HRB400钢筋。引桥横断面如图2所示。

(a) 单箱单室预制节段箱梁

(b) 单箱双室预制节段箱梁

3 有限元模型建立

3.1 创建有限元模型

采用ABAQUS有限元软件建立预制节段箱梁实体模型，箱梁和方形混凝土支承都采用三维实体单元，钢筋采用三维线单元嵌入预制节段箱梁。有限元模型如图3所示。

(a) 单箱单室预制节段箱梁模型

混凝土和钢筋材料具体参数如表1所示。

方形混凝土支承与预制节段箱梁之间的接触采用库仑摩擦，由《工程地质手册》[10]可知混凝土间摩擦系数为0.65。将箱梁存储期间的约束设置为简支约束，预制节段箱梁叠放要求层与层之间以支承隔开。为模拟实际叠放情况，将支承反力换算成面荷载施加于箱梁顶板，箱梁顶板加载位置如图4所示。

图4 箱梁顶板加载位置

3.2 分析工况

有限元分析围绕支承布置平面位置、箱梁叠放层数及支承相对高差共3种影响因素展开，具体工况分析如表2所示。

表2 具体工况分析

4 静力分析结果

4.1 支承布置平面位置分析

支承布置平面位置如图5所示，计算底层单箱单室预制节段箱梁的受力及变形情况。

图5 支承布置平面位置

将工况1～工况5的有限元分析结果进行对比分析，不同支承平面位置箱梁应力对比如图6所示，不同支承平面位置箱梁变形对比如图7所示。

图6 不同支承平面位置箱梁应力对比

图7 不同支承平面位置箱梁变形对比

由图6可知，工况1的支承布置在底板两端时，底层预制节段箱梁应力最小，达到1.50 MPa；工况3的支承布置在底板横向四等分点时，顶板与腹板的相交处应力最大，达到2.66 MPa，超过C50混凝土的轴心抗拉强度标准值(2.65 MPa)。

由图7可知，工况1支承布置在底板两端时，底层预制节段箱梁变形最小，达到0.97 mm；工况3支承布置在底板横向四等分点时，顶板中心变形最大，达到1.46 mm，尚未超过预制节段箱梁平整度5 mm 的限值要求[7]。

当支承布置在底板两端时，可避免预制节段箱梁产生裂缝。支承纵向平面位置对箱梁应力影响较小，支承横向平面位置对箱梁应力影响较大。当支承布置在底板横向四等分点时，预制节段箱梁的抗拉强度将不满足规范要求，会导致预制节段箱梁产生裂缝。

4.2 箱梁叠放层数分析

针对不同的箱梁叠放层数，计算底层单箱单室预制节段箱梁的受力及变形情况。将工况1、工况6和工况7的有限元分析结果进行对比分析，不同箱梁叠放层数的箱梁应力对比如图8所示，不同箱梁叠放层数的箱梁变形对比如图9所示。

图8 不同箱梁叠放层数的箱梁应力对比

图9 不同箱梁叠放层数的箱梁变形对比

由图8可知，工况6的2层箱梁叠放时，底层预制节段箱梁应力最小，达到0.95 MPa；工况7的4层箱梁叠放时，腹板中心应力最大，达到2.70 MPa，超过C50混凝土的轴心抗拉强度标准值(2.65 MPa)。

由图9可知，工况6中2层箱梁叠放时，底层预制节段箱梁变形最小，达到0.97 mm；工况7的4层箱梁叠放时，顶板中心变形最大，达到1.37 mm，尚未超过预制节段箱梁平整度5 mm的限值要求。

当箱梁叠放层数不超过3层时，可避免预制节段箱梁产生裂缝。当叠放层数为4层时，预制节段箱梁的抗拉强度将不满足规范要求，会导致预制节段箱梁产生裂缝。

4.3 支承相对高差分析

分析针对单个支承存在高差进行模拟，支承相对高差模拟方式如图10所示。为符合实际受力特征，对预制节段箱梁施加重力加速度和强迫位移，存在高差的支承边界条件设置为滑移，其他支承设置为铰接。分析不同支承相对高差下底层单箱单室预制节段箱梁的受力及变形情况。

图10 支承相对高差模拟方式

将工况8～工况15的有限元分析结果进行对比分析，不同支承相对高差的箱梁应力对比如图11所示，不同支承相对高差的箱梁变形对比如图12所示。

图11 不同支承相对高差的箱梁应力对比

由图11可知，工况11的支承相对高差为-0.50 cm 时，底层预制节段箱梁应力最小，达到2.17 MPa；工况15的支承相对高差为+2.0 cm时，支承存在高差侧应力最大，达到2.70 MPa，超过C50混凝土的轴心抗拉强度标准值(2.65 MPa)。

由图12可知，工况12的支承相对高差为+0.50 cm 时，底层预制节段箱梁变形最小，达到1.23 mm；当工况8的支承相对高差为-2.00 cm时，支承存在高差侧变形最大，达到6.13 mm，超过预制节段箱梁平整度5 mm的限值要求。

当支承相对高差不超过1 cm时，可避免预制节段箱梁产生裂缝和较大变形。当支承相对高差大于1 cm时，预制节段箱梁的抗拉强度和平整度都不满足规范要求，会导致节段箱梁产生裂缝甚至倾覆。

4.4 控制指标确定

由单箱单室预制节段箱梁的分析结果可知，当支承布置在底板两端、箱梁叠放层数不超过3层且支承相对高差不超过1 cm时，可避免底层预制节段箱梁产生裂缝或较大变形。将这3项指标应用于单箱双室预制节段箱梁裂缝变形控制，验证指标的普适性。单箱双室节段箱梁各工况分析结果如表3所示。

表3 单箱双室节段箱梁各工况分析结果

由表3可知：①当支承布置在底板两端时，单箱双室预制节段箱梁的抗拉强度和变形符合规范要求；②当箱梁叠放层数不超过3层时，单箱双室预制节段箱梁的抗拉强度和变形符合规范要求；③当支承相对高差不超过1 cm时，单箱双室预制节段箱梁的抗拉强度和变形符合规范要求。因此，3项指标同时适用于单箱双室预制节段箱梁的裂缝变形控制。

5 结论

为确保预制节段箱梁在存储期间的安全稳定，对单箱单室和单箱双室预制节段箱梁的存储进行仿真分析，模拟不同支承布置平面位置、箱梁叠放层数以及支承相对高差，共15种工况，通过对比分析得出以下结论。

(1) 预制节段箱梁存储期间，支承布置平面位置和箱梁叠放层数对其位移变形影响较小。当支承相对高差>1 cm时，其位移变形将不满足预制节段箱梁平整度的要求。

(2) 当支承布置在底板两端、箱梁叠放层数不超过3层且支承相对高差不超过1 cm时，预制节段箱梁的抗拉强度将满足规范要求，可避免其产生裂缝。

(3) 根据分析结果提出预制节段箱梁存储期间支承的控制指标，可应用于单箱单室和单箱双室预制节段箱梁工程，具有一定指导作用。