某预应力混凝土连续箱梁病害成因及其安全性分析.pdf

桥 梁 某预应力混凝土连续箱梁病害成因及其安全性分析 田 青 ( 中铁工程设计咨询集 团有 限公司桥梁 院，北京 1 0 0 0 5 5 ) 摘要 ： 针对 某桥预应 力混凝 土连 续梁出现 的开裂情 况 ， 从 设计 、 施工和 运 营等 环节进行 裂缝成 因分析 ， 并按照 开 裂后的截面对结构的安全可靠性进行分析评价。分析表 明 ， 梁体结构设 计合理 ； 运 营阶段超 载是导 致开裂 的主要 原 因； 开裂截 面检 算表 明梁体仍 满足规 范规 定的 B类部 分预应力 结构的要 求； 限制超载 ， 并对裂缝 进行封 堵后 ， 梁 体结构可满足正常运 营要 求。 关键词 ： 预 应力混凝 土；连 续梁；病 害；分析 中图分类号 ： U 4 4 8 ． 2 1 3 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4— 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5— 0 0 7 6— 0 3 Di s e a s e Ca u s e s a n d S a f e t y An a l y s i s f o r a Pr e s t r e s s e d Co nc r e t e Co nt i n uo u s BO X Gi r d e r T I A N Q i n g ( B r i d g e E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a Ra i l wa y E n g i n e e r i n g C o n s u h i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：As f o r a pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c o n t i n u o u s b o x g i r d e r ，t h e c a u s e s o f c r a c k s we r e a n a l y z e d f r o m d e s i g n，c o n s t r u c t i o n，o p e r a t i o n a nd o t h e r a s p e c t s b y t h e a u t h o r ．An d t h e n t h e s a f e t y a n d r e l i a bi l i t y o f t h i s s t r uc t u r e a fte r c r o s s - s e c t i o n c r a c k i n g we r e a n a l y z e d a n d a s s e s s e d． An a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e d e s i g n o f t h i s g i r d e r s t r u c t u r e i s r e a s o n a b l e，wh i l e t h e o v e r l o a d i n g i n t h e o pe r a t i o n s t a g e ma y be t h e l e a d i n g c a us e o f t h e c r a c k s ． F u r t h e r ，t h e r e s ul t s fro m c a l c u l a t i o n o n t h e c r a c k e d c r o s s - s e c t i o n s h o w t h a t t h e g i r d e r s t r u c t u r e c a n s t i l l me e t t he r e q u i r e me n t s o f t h e Cl a s s — B p a r t i a l l y p r e s t r e s s e d s t r u c t ur e i n c ur r e n t s t a n d a r d s ；a n d t he g i r d e r s t r u c t u r e wi l l me e t t h e r e q u i r e me n t s o f n o r ma l o pe r a t i o n i f t h e o v e r l o a d i n g i s r e s t r i c t e d a n d t he c r a c k s a r e s e a l e d． Ke y wo r d s：p r e s t r e s s e d c o n c r e t e；c o n t i n u o u s g i r d e r ；d i s e a s e；a n a l y s i s 1 概 述 本工程为一公路匝道桥梁， 设计为单向2车道 ， 设 计荷载为汽一 超 2 0 ， 验算荷载 为挂 一1 2 0 ， 梁跨布置为 ( 3 9 + 4 5 + 3 9 )m 的预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 。 开 通 运 营 5年后 在 日常 检 查 中发 现箱 梁底 板 出现 横 向裂 缝 ， 经 专业机构检测， 实测裂缝长度为 1 ． 1～ 2 ． 5 m， 缝宽为 0 ． 0 8— 0 ． 1 0 mm， 最大 深 度 为 3 1 ． 5 m m 。结 构体 系 为按照《 公路钢筋? 昆凝土与预应力混凝土桥涵设计规 范》 ( J T J 0 2 3 —8 5 ) 设计 的预应力混凝土 ( A类) 单箱单 室等高度连续箱梁 ， 梁顶宽 9 ． 5 m， 梁底宽 5 m， 梁 高 2 ． 2 m， 箱 梁 腹 板 厚 5 0 c m， 顶 板 厚 2 5 c m， 底 板 厚 2 0 c m。梁体跨 中截面见图 1 。梁体混凝土强度 等级采用 收稿 日期 ： 2 0 1 2—1 0 —1 5； 修 回日期 ： 2 0 1 2—1 2—1 4 作者简 介： 田青 ( 1 9 6 6 一 ) ， 女， 高级 工程师 ， 1 9 8 7年毕业 于上 海铁 道学 院土木工程 系， 工学学士 ， E - m a i l ： t q — t d b @t o m． c o rn。 7 6 C 5 0， 预应力筋采用 R =1 8 6 0 M P a 高强低松弛预应力 钢绞线 ， 其 布 置方 式 为腹 板纵 向通 长布 置 2 6根 1 2—7 + 5 mm 钢 绞 线 ， 跨 中 区 段 底 板 布 置 8根 7— 7 + 5 m m 钢 绞线 。该 梁按 A类 预 应力 结 构 设 计 ， 在 正 常 的施 工 和运 营条件下 ， 梁 体混凝 土会 出 现拉应 力 ， 但 不 应 该开裂 。本 文拟 针 对 实测 中发 现 的裂缝 ， 进 行 裂 缝成因分析 ， 并对开裂后的结构安全性进行检算 。 8 0 )uU 0 ：2 0 I 1 _—— 8 8 8 ∞ 。。 一 ．g J 。 2 5 0 0 ； 0 d 1 7 j 1 7 5 0 o ( i 2 5 O 0 图 1 跨中截面 ( 单位 ： mm) 2 正常状态下的结构计算 2 ． 1 荷 载及 其组 合 。 ( 1 ) 结构 自重取混凝土容重为 2 6 ． 0 k N ／ m ， 二期 铁道标准设计R A I L W AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 3 ( 0 5 ) 田 青一某 预应力混凝土连续箱梁病 害成 因及其安全性分析 恒 载为 4 0 ． 5 k N ／m ( 2 ) 活载 ： 汽 一 超 2 0 ， 挂 一 1 2 0 ( 3 ) 基础 不均 匀沉 降 1 ． 5 c m ( 4 )混凝 土收缩 徐变 ： 按 《 公路钢筋混凝 土与预 应力々 昆 凝土桥涵设计规范》( J T J 0 2 3 --8 5 ) 计算 ( 5 ) 温度差 ： ①顶底板温差 5℃； ②顶板升温 5 c I 二 ( 6 ) 荷载组合 组合 I 恒载+ 活载+ 基础沉降 组合 I I 一 1 恒载+ 活载+ 基础沉降+ 温度① 组合 Ⅱ一 2 恒载+ 活载+ 基础沉降+ 温度② 组合 Ⅲ恒载 + 挂 车 2 ． 2主 要计 算参 数 ( 1 ) 预应力计算参数 锚 下张 拉控制 应力 ： 1 3 5 7 MP a ； 预应 力 管道摩 阻 系数 ： 0 ． 3 5 ； 管道 偏差 系数 ： 0 ． 0 0 3 ； 计算 混凝 土收 缩徐 变影 响 时的 阶段 划 分见 表 1 。 表 1 计算 阶段划分 ( 2 ) 计算截面 计 算 内力 时按 毛截 面考虑 取全 截 面 ； 计算应力时， 按净截面( 管道压浆前) 和换算截 面 ( 管道压浆后 ) ， 上缘计算宽度取 8 ． 5 m， 下缘计算宽度 取全宽 ； 换算截面时未考虑普通钢筋 。 2 ． 3运营阶段各跨计算应力 ( 1 ) 截 面正应 力计 算 ( 表 2 ) 表 2运营阶段梁体正应力 M P a 根据《 公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计 规范》( J T J 0 2 3 --8 5 ) ， 在使用荷载作用下， 部分预应力 混凝土 A类受弯构件法向应力应符合下列规定 ： 组合 I 。 ≤0 ． 8 R =2 ． 4 MP a ≤0 ． 5 R = 铁道标 准设计R A I LW AY S T A ND A RD D E S I G N 2 0 1 3( 0 5) 桥 梁 l 7 ． 5 M P a 组合 Ⅱ、 组合 Ⅲ h l ≤0 ． 9 R =2 ． 7 M P a O r h ≤ 0． 6R =21 ． 0 MPa 由表 2可以看出 ， 梁体正应力计算结果均能满足 《 公路钢 筋混 凝土 与预 应力 昆凝 土桥 涵 设计 规范 》 ( J T J 0 2 3 —8 5 ) 要求 。 ( 2 ) 运营阶段主梁最大主应力 运 营 阶 段 ， 主梁 的最 大 主压 应 力 为 8 ． 7 3 MP a ， 工 况类型为恒载+ 汽车 ( 最小剪力 ) ， 位 于边支座位置处 ， 最大主拉应力为 一 0 ． 9 5 1 MP a ， 工况类 型为恒载 + 挂车 ( 最小剪力) ， 位于主跨跨 中处 。 根 据 《 公路 钢筋 混 凝 土 与预 应 力 混凝 土 桥 涵 设 计 规范》 ( J T J 0 2 3 --8 5 ) ， 在使用荷载作用下 ， 预应力混凝 土受弯构件主应力应符合下列规定 ： 组 合 I l ≤0 ． 8 R =2 ． 4 MP a ： ≤0 ． 6 R = 21 ． 0 MPa 组 合 Ⅱ、 组 合 1 1 1 l ≤0 ． 9 R =2 ． 7 MP a ： ≤ 0 ． 6 5R =2 2． 75 MPa 计算结果表明运 营阶段主拉应力满足《 公路钢筋 混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》 ( J T J O 2 3 —8 5 ) 要 求 。 以上计算结果表明梁体在正常的使用状态最不利 荷载工况下梁体下缘最大拉应力为 1 ． 0 MP a ， 小于规 范规定的 0 ． 8 R ， 结构处于安全状态 ， 不应出现多处位 置 开裂 。 3裂 缝成 因分 析 根据梁体受力特点 ， 导致产生裂缝的原因有以下 几个 方 面 。 ’ 。 梁体 自身 因素 ： 预应力储备不足 ， 其原因可能是 ， 施工时预应力张拉不到位 ， 摩阻损失或混凝土收缩徐 变损失大于设计值 。 外部 因素： 结构使用 阶段实际应力超出设计计算 的最 大应力 ， 达 到 和 超 过 混凝 土 抗 拉 强 度 。 主要 因素 有 ： 摩阻损失 、 超载 、 温度变化、 基础沉降等。 针对上述可能的几种因素 ， 计算结果见表 3 。 表 3主要印象因素下的下缘应 力增 量计 算M P a 与设 计 的正 常受 力 状 态 下 的应 力 叠加 后 ， 跨 中截 面下缘混凝土拉应力为 3 ． 2 MP a ， 大 于 R =3 ． 0 MP a 。 根据上述计算结果分析 ， 导致梁体混凝土开裂 的原因 可能是摩阻损失 、 超载及 上下缘 温差等 因素 中一个或 7 7 桥 梁 田 青一某预应力混凝土连续箱梁病害成因及其安全性分析 几 个 的组合 ， 其 中超 载 运 营 可 能是 主 要 因素 。不 考 虑 超载 因 素 时， 梁 体 下缘 最 大 拉 应 力 为 1 ． 9 MP a ， 小 于 0 ． 8 R 。 4开 裂截面 的应 力分 析 根据对本桥梁体设计 资料 的分析 ， 梁体纵 向普通 钢筋配置可满足部分预应力混凝土梁钢筋配置要求。 因此 ， 对于开裂截面， 如果在不计受拉区混凝土作用的 情 况下 ， 受压 区混 凝土 应力 、 预应 力筋应 力满 足规 范要 求 ， 即可认 为该 结 构 满足 B类 部分 预 应力 的要 求 。下 面按照开裂截面对跨中截面进行应力分析 。 跨 中截面预应力筋布置： 2 6束 1 2 — 7 + 5 m m， 8束 5 - 7 4 ) 5 mm， A =0 ． 0 2 5 7 6 m 预应力筋有效应力取平均值 预应力筋与混凝土弹模比取 ／t = 5 ． 7 1 4 开裂前 的截面特 性 ： 换算截面面积 A 。 = A + ( n 一 1 ) A 换算截面惯性矩 ， n 换算截面 回转半径 r 换算截面重心距梁底 e 预应力筋重心距截面重心 e 预 应力筋 重 心距截 面上 缘 h 预应 力筋 有效 预压 力 N = 4 截 面消 压 时 预 应 力 筋 应 力 增 量 o r 。 =n y N ( 1 + e2 ／ r ) ／ A 0 消 压 时截面 预压力 N 。 = A ( + ) 正常使用荷载作用下截面偏压力作用点距截面上 缘 距离 e = M／ N 一 h 为便于分析 ， 将截面简化等效为 耵形截面 ( 图2 ) 。 图 2 简化后的等效截面 ( 单位 ： mm) 根据《 公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计 规范》 ( J T J 0 2 3 --8 5 ) 附录 1 0 ， 可试算 得到开裂截面受 压 区高 度 X= 0 ． 7 7 7 I 1 3 ， 由此 可 得不 计 受拉 区混凝 土时 的截面特性( 图 3 ) 。 图 3 开裂截面计算 图式 ( 单位 ： mm) A0 l =3 ． 0 2 4 m ， I o l=0． 5 7 3 m ， C ：0． 29 7 7 m ， 。 0= 0． 3 9 5 m 7 8 开裂 后正 常运 营荷 载作用 下截 面上缘 混 凝土应 力 o r h =N l ／ Ao 1 + Ⅳ le 0 C ／I o l 1 4． 0 2 MPa <0 ． 5 R =1 7 ． 5 MPa 开 裂后 的预应 力筋 应力 增量 2 =n ( N 1 e 0 ( h 一C) ／ ， 0 l ～Ⅳ l ／ A 0 1 )： 1 3 2 ． 5 4 MP 开裂后 预应 力筋 总应力 ： = + or 1 + or 2 =1 1 4 7 ． 9 7 M P a <0 ． 6 5 R ?= 1 2 09 MP a 上述计算中忽略了普通钢筋 的作用 ， 实际梁体预 应力筋总应力应略小于上述计算值 。计算表明在正常 运营条件下 ， 即使梁体开裂 ， 混凝土和预应力筋应力均 满足 规范关 于 B类 预应力 结构 的要求 。 如果按照超载 5 0 ％计算 ， 开裂截面混凝 土应力和 预应 力筋 应力 分别 为 h =1 5． 8 4 MP a 0 ． 6 5 R ? 即超载作用下 ， 梁体预应力筋应力超 过容许值 。 超 载 5 0 ％ 导 致 开 裂 截 面 上 缘 } 昆凝 土 应 力 增 量 为 1 ． 8 2 M P a ， 预应 力筋 应力 增量 为 1 2 5 ． 2 MP a 。 5 结论 以上分析计算表明， 正常运营条件下梁体应力小于 规范容许值 ； 运营阶段多种不利因素叠加会使梁体混凝 土应力超过其抗拉强度， 超载运输可能是导致梁体开裂 的主要原因； 梁体开裂后 ， 受拉 区配置适量普通钢筋的 条件下 ， 梁体? 昆 凝 土和预应力筋 应力可满 足正 常运 营条 件下 B类预应力混凝土的要求。截面开裂后， 由于受拉 区混凝土 不再 发挥作用 ， 超 载荷 载拉应 力将 由预应 力筋 承担 。超 载导致 的预应力 筋应力增 量 比较 明显 ， 当超载 较大时， 开裂截面预应力筋应力超过规范容许值 ， 表 明 在长期超载作用下， 梁体会因预应力钢筋疲劳而破坏 ， 即超载运输将减少桥梁使用寿命。因此， 在加强管理和 维护 ， 严格 限制超 载运 营 的情 况下 ， 对 既有 裂缝 妥 善封 堵后， 结构的运营安全性是有保证的。 参 考 文献 ： [ 1 ] 中 国公路 工 程咨 询 总公 司． 宁 波大 榭 公铁 两用 大 桥检 测 报 告 [ R] ． 北京 ： 中国公路工程咨询总公 司， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 中咨桥 隧设计研究院有限公司． 宁波大榭公铁两用大桥检测 报告 [ R] ． 武汉 ： 中咨桥隧设计研究院有限公司， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 中华人民共 和国交通部． 公路桥 涵设 计通用规范 [ S ] ． 北京 ： 人民 交通出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 4 ] 中华人 民共和国交通部． 公路钢筋混凝土与预应力混 凝土桥涵设 计规范 [ s ] ． 北京 ： 人 民交通出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 5 ] 中华人 民共和国交通部． 公路 桥涵加 固设计规 范[ S ] ． 北 京 ： 人 民 交通 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6] 范立 础．预应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 [ M] ． 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 0 1 ． 铁道标准设计R AI L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 3 ( 0 5 ) 中美公路桥梁设计规范对比研究 鲁玉忠 ，于剑 丽，宋银 平 ( 黄河勘测规划设计有 限公 司 ， 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 桥 梁 摘 要 ： 在承担 南美洲一 些国家桥 梁工程 设计 中， 一般都使 用美国规 范。 因此 ， 首先要对 当事 国使 用的设计规 范进 行 深入研 究和分析 ， 找 出设计方 法、 设计参数取值 、 设计荷载及荷载组合等 方面的不 同； 在相 同跨 径 、 截面及 受力条 件 下， 比较 美国规 范与我 国规 范钢筋混凝 土梁的配筋计 算结果 ， 以此 熟悉国外工程设 计特点 ， 了解与 我 国设计 规 范 的不同点 ． 提 高设计质量 ， 为其他 国外工程设计提供参考 ， 同时也为我 国规 范的改进 和修 订提 供参考 。 关 键 词 ：中 关公 路 ；混 凝 土 桥 梁设 计 规 范 ；极 限状 态 受 力 ；荷 载 抗 力 设 计 中图分 类号 ： U 4 4 2 ． 5 l 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4— 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5—0 0 7 9 —0 4 Co m p a r a t i v e St ud y o n S t a n da r ds be t we e n Hi g hwa y B r i dg e De s i g n Chi na a n d Am e r i c a LU Yu — z h o n g，YU J i a n— l i ，S ONG Yi n — p i ng ( Ye l l o w Ri v e r En g i n e e r i n g Co n s u l t i n g C o ．，L t d ．，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3，C h i n a ) Abs t r a c t：Ame r i c a n s t a n d a r ds a r e u s u a l l y a s k e d t o be a do p t e d i n t h e b r i d g e d e s i g n i n s o me S o u t h Ame r i c a n c o un t r i e s ．Fi r s t l y，i n o r d e r t o f i n d o u t t he d i f f e r e nc e s e x i s t e d i n d e s i g n me t ho d， p a r a me t e r ， l o a d，l o a d c o mb i na t i o n a n d o t h e r f a c t o r s，t h e s t a t ut o r y d e s i g n s t a n da r ds i n t h e c o u n t ry— c o n c e r n e d s h o u l d b e s t u di e d a nd a n a l y z e d de e p l y ．An d t h e n，t h e r e i n f o r c e me n t r e s u l t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e g i r d e r s ho u l d b e c o mp a r e d b e t we e n us i n g Ame r i c a n s t a n d a r d a nd u s i n g Ch i n e s e s t a n d a r d u n d e r t he s a me s p a n，s a me c r o s s - s e c t i o n a n d t h e s a me l o a d ．B a s e d o n t h e s e，t h e d e s i g n f e a t u r e s o f f o r e i g n p r o j e c t c a n b e k n o w n a g r e a t d e a l ， t he di f f e r e n c e o f d e s i g n s t a n d a r d s b e t we e n Ch i n a a n d f o r e i g n c o u n t ry c a n be a c q u a i n t e d， t h e r e f o r e t h e d e s i g n q u a l i t y c a n b e p r o mo t e d．Mo r e o v e r ，t h e c o mp a r a t i v e s t u d y c a n b e r e f e r e nc e d n o t o n l y b y t h e d e s i g n e r s o f o t h e r f o r e i g n p r o j e c t s ，b u t a l s o b y t h o s e wr i t e r s o f C h i n e s e s t a n d a r d s w h e n n e c e s s a r y t o b e r e v i s e d． Ke y wo r d s： Chi n e s e a n d Ame r i c a n h i g h wa y s ； d e s i g n s t a n da r d o f c o n c r e t e b r i d g e； u l t i ma t e b e a r i ng c a p a c i t y；r e s i s t a n c e d e s i g n a g a i n s t l o a d 目前 中国建筑行业进入 国际市场的份额 日渐增 多 ， 近几年国内公司在南美 国家相继承揽 了一些大型 水利水电、 公路桥梁工程项 目， 在合同中都明确写明采 用美 国规 范 ， 我公 司在 承接 厄 瓜 多尔 C C S项 目工 程 设 收稿 日期 ： 2 0 1 2—1 0—1 1 ；修回 日期 ： 2 0 1 2—1 2一O l 作 者 简 介 ： 鲁 玉 忠 (1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 工 程 师 ， E — ma i l ： l u y u z h o n g l 1 2 1@ 1 2 6． C O B。 [ 7 ] 刘来君 ， 赵小星． 桥梁加固设计 与施工技术 [ M] ． 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ] 李辉． 大跨度连续刚构桥的病害原 因分析及加 固设计 [ J ] ． 铁道标 准设计 ， 2 0 1 1 ( 4 )： 5 2—5 4 ． [ 9] 张力超 ， 赵煜澄． 预应力 混凝土连续 箱梁 的加固设计 与施工监 测 [ J ] ． 桥梁建设 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 5 9—6 2 ． [ 1 0]中国土木工程学会 ， 等 ． 部分预应力混凝土结构设计建议 [ M] ． 北 铁道 标准设计R A I L W AY S T A ND A RD DE S I G N 2 0 1 3 ( D 5) 计 中也是如此。笔者参加 了厄瓜 多尔 C C S项 目中的 公 路桥 梁设 计 ， 在设 计 过 程 中对 中美 两 国桥 梁 规 范 进 行 了一些研究工作 ， 对中国《 公路桥涵设计通用规范》 ( J T G D 6 0 --2 0 0 4 ) 、 《 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设计 规 范》 ( J T G D 6 2 --2 0 0 4 ) ( 以下 简 称 中 国 桥梁规范 ) 和美 国公路桥梁设计规 范 ( 以下简称美 国桥 梁规 范 ) 进 行 对 比 ， 找 出两 国规 范 的 差 异 。 中美 桥 梁规 范 主要 区别 是 ： ( 1 ) 设 计 方法 不 同 ； ( 2 ) 汽 车荷 京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 1 1 ]交 通部公路 规划设 计 院． 公路桥 涵设 计通用 规 范条文说 明 [ s] ． 北京 ： 人 民交通 出版社 ． [ 1 2 ]施顺涛． 浅议 预应力 混凝土 连续 刚构加 固方 法 [ J ] ． 铁道标 准设 计 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 6 4—6 5 ． [ 1 3 ]交通部公路规划设计 院． 公路钢筋混凝土与预应力混凝 土桥涵设 计规范条文说 明[ s ] ． 北京 ： 人民交通出版社 ， 1 9 8 9 ． 7 9