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2 0 1 1 年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i ne e r i n g 45 文章 编 号 : 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 2 — 0 0 4 5 - 0 4 预应力混凝土箱梁常见病害分析及设计对策 乔晋 飞 ( 铁道第三勘察设计 院 , 天津3 0 0 1 4 2 ) 摘 要 : 针 对 近年 来 国 内预应 力 混凝 土箱 梁特 别是 大跨 桥 梁发 生 开裂及 下挠 的严 重病 害情况 , 分析预 应 力 混凝土箱梁各种裂缝形成原因, 着重从设计角度提 出防止产生各种病害的技术措施 。 关键 词 : 预 应力 箱 梁 裂缝 平 面计 算 空 间效应 中图分 类 号 : U 4 4 8 . 3 5 ; U 4 4 2 . 5 文 献标识 码 : A 近年来许 多预应力混凝土箱梁桥在运营过程中出 现了较多的工程病害 , 严重影响了结构安全。病害 主 要表 现 在裂缝 和挠度 两个 方面 。 引起裂缝 的原 因是 多 方 面 的 , 从桥 梁 制造 环 节 看 , 有施 工方 面 的 因素 , 也 有 设计方面的因素 。本文着重从设计角度研究裂缝 , 特 别是 腹板 斜 裂缝 的成 因和 控 制 , 提 出 预 应力 混 凝 土 箱 梁在设计计算及构造细节方面的技术措施 。 1 裂缝分 类及成 因 按 照裂 缝产 生 的外 因主 要 分 为荷 载裂 缝 、 温 度 裂 缝 、 收缩裂缝和钢筋锈蚀裂缝。荷载裂缝是指梁体在 常规的动静载作用下, 由于混凝土承受 的拉应力过 大 而产生的。其特点是裂缝 宽度大 、 长度 长。温度裂缝 是指由于温度的作用 , 使 混凝土发生热胀冷缩 的变形 受到约束而产生 的应力。大量研究显示 , 温度应力 常 常很 大 甚至 超过 活 载产 生 的应 力 , 足 以造 成混 凝 土 开 裂 。 收缩裂缝 是 由混 凝 土 不 均 匀 收缩 引起 的 , 是 一 种 常见 的裂缝 。其 特点 是裂 缝宽 度较 细 , 纵 横 交错 , 呈龟 裂状 , 没有任何规律 。钢筋锈蚀裂缝是 由于混凝 土质 量差、 保护层厚度不足或混凝土开裂等因素 , 使钢筋锈 蚀 , 对周 围混凝 土产 生膨 胀力 , 导致 混凝 土保 护层 开裂 剥 落 。 按照裂缝的力学特性主要分为弯曲裂缝 、 剪切裂 缝 、 扭曲裂缝 、 断开裂缝和局部应力裂缝。弯 曲裂缝是 由于受弯矩作用产生的 , 一般是垂直裂缝 。剪切裂缝 又称 为斜 裂缝 , 发生在 剪应 力大 的位 置 , 主拉 应力太 大 是引起此类裂缝的直接原 因, 所 以裂缝与 中性轴多呈 2 5 。~ 4 5 。 的夹角。扭 曲裂缝是构件受扭转和弯曲共 同 作用产生的。断开裂缝 , 混凝土构件受拉时截面上产 收稿 日期 : 2 0 1 1 . 0 7 - 2 1 ; 修 回 日期 : 2 0 1 1 . 0 9 0 2 作者简介 : 乔晋飞 ( 1 9 7 8 一) , 男 , 山西榆社人 , 工程师。 生 的裂缝 为断 开裂 缝 。局 部应 力 裂 缝 , 是 由于局 部 应 力过大产生 的, 主要出现在应力集 中的部位。 按照裂缝发生的部位主要分为顶底板裂缝 、 腹板 裂 缝 和横 隔梁裂 缝 。顶 底 板横 向裂 缝 , 反 映 了正 截 面 抗 裂 能力不 足 。造成 原 因 主要 有 : ① 纵 向预应 力 损 失 过大 , 实际提供的有效预应力不足。有大量资料证明, 实测的预应力效应明显低于设计分析期望值。②实际 发 生 的收缩 徐变 变形 超过理 论预 测 。一方面增 大 了收 缩徐 变二 次力 , 另一 方 面增 加 了 因 收缩 徐 变 产 生 的预 应力损失。收缩徐变值的大小受收缩徐变终极值及其 应力历时影 响, 也就是说除了对收缩徐变终极值有较 为真实的认识外 , 对构件的受力必须有准确的估计 , 所 有的荷载都将影响收缩徐变的大小。③对剪力滞效应 考虑不够 , 截面应力峰值超过平均值较多。 顶底板纵向裂缝 , 反应了顶板横向抗裂能力不足。 造成原因主要有 : ①横向预应力损失过大 , 实际提供 的 有效预应力不足。②横向预应力位置偏差。由于顶板 厚度较薄 , 既要布置横向预应力束, 又要布置非预应力 钢筋 。实际施工中, 横向预应力钢束的“ 偏心距” 较难 精确控制 , 一旦偏心距的实际偏差较大时 , 极易在顶板 下缘出现纵向裂缝。③纵向预应力横 向平弯径向力考 虑不足。④顺桥向预应力过大。在正交向极易产生由 泊松 比而引起的横向拉应变 , 甚至沿波纹管的方向产 生规则性的纵向裂缝。管 内积水锈蚀钢束, 此类裂缝 的危害性很大。⑤施工过程中水化热产生的温度 自应 力 引起 的纵 向裂 缝 。 腹板斜裂缝 , 反 映了斜截面抗裂性能不足 。腹板 主拉应力是腹板开裂的主要衡量标准 , 其计算复杂, 影 响因素众多, 常规的平面有 限元分析软件很难准确计 算 , 是导致腹板斜裂缝产生的主要原 因。 目前主拉应 力的计算都是基于平 面的, 平面计算的主拉应力值必 然小于空间计算的值 。T形、 I 形梁的空间效应不太明 4 6 铁道建筑 显 , 采用平面计算是能够满足结构安全的。但对箱形 梁来说 , 特别是腹板间距较大的宽箱 , 再用平面的概念 解 决 问题势必 产生 过大 的误差 。 比较表 1中各规 范 C 5 0混凝土主拉应力限值 , 各 规范之间差异很大 , 即使是同一系列 的《 公路 规范》, 在 2 0 0 4版和 1 9 8 5版之间差异达一倍以上。而我国铁 路规范在两版之间是相 同的 , 没有调整其限值 。从规 范 的演 变看 出 , 公 路建 设 在 过 去 的十 几 年 内 出现 的 腹 板斜裂缝存在普遍性和严重性。而铁路桥梁却没有出 现大面积开裂的类似情况。反观其限值 , 铁路规范限 值与公路 1 9 8 5版的规范大致相当, 这其中的原因值得 深思 。与公路箱梁相 比铁路箱梁一般不需要很宽的桥 面 , 腹板之问的距离较小 , 横向效应对主应力计算影响 相对较小。箱宽小的箱梁按照平面计算 出来 的主拉应 力值相对可靠一些 , 这是铁路桥梁开裂现象没有公路 桥 梁广 泛和严 重 的主要 原 因之 一 , 其 它原 因这 里不 再 详 述 。 横隔梁裂缝 , 主要是 由于支座布置不合理及横 隔 梁计算 模 型中 , 外 荷载考 虑不 周造 成的 。 表 1国内各种规范主拉应力限值 ( 混凝土等级 C 5 0 ) 2裂缝对挠度的影响 许多桥梁实例显示 , 梁体的下挠与裂缝开展 的程 度有 密切 的关 系 , 下 挠 最快 的时 刻也 正 是 裂缝 大 量 开 展 和发生 的 时刻 。梁 体 裂缝 对 挠 度 的 影 响 主 要 表 现 在 : ①增加了几何变形 、 降低梁体 的刚度, 致使下挠不 断增加 ; ②开裂断面处所释放 的能量一部分转移至该 截面所配置的钢筋 , 另一部分转移至未开裂梁段 , 导致 梁体 内力重分布, 使未开裂梁段的应力增大 , 促使新的 裂缝产生 ; ③交变荷载作用使得裂缝不断扩展, 挠度不 断增 加 。 3 设计对策 3 . 1 结构计算方面 3 . 1 . 1 准确模 拟 实际施 工状 态 计算 中应模拟 出实际结构可能出现的不利施工状 态, 例如对悬臂施 工的桥梁, 应该模拟 出这种施工状 态: 该节段混凝土浇筑完毕 , 锚固于该节段 的预应力钢 筋 尚未 张拉 , 挂篮 尚未前 移 , 顶板 混凝 土无桥 面铺装 受 日照正 温差 或 日照 反温差 影 响的情况 。 3 . 1 . 2荷载 组合 时应 区分 运 营前 后期 运 营前 期 , 此 时 收缩 徐变 尚未 全部 完 成 就 与运 营 荷载组合。运营后期 , 此时收缩徐变均 已全部完成再 和运营荷载组合。有时是运营前期控制 , 以往习惯只 计算运营后期, 可能会造成漏算 。 3 . 1 . 3 综合 考虑 主应 力的 空间效应 规范中对主应力的计算公式都是针对早期设计的 I 形 梁 、 T形梁 而 言 的 , 因为 这两 种 梁式 应 用平 面 计算 出来 的主拉应力是可靠的 , 能够控制斜裂缝 的开展。 但是对于箱梁主应力计算并没有明确的公式。对于箱 梁 , 特别是腹板间距较大的箱梁 , 横 向框架效应对主拉 应力的影响非常显著。荷载作用下 , 箱梁腹板 内外侧 竖 向正应 力 不 是 均匀 分 布 的 。原 来 按 照平 面计 算 时 还有一定压应力 , 在考虑横向效应后可能出现拉 应力 , 这就导致腹板内外侧主拉应力有很大差异。考 虑空 间效应 与平 面计 算 的主 拉 应力 , 二 者 的 差 异 主要 与腹板 之 间的距离 有关 。其距 离越大 , 差异 也越 明显 , 按照平面计算的值也就越不可靠 。鉴于 目前的计算手 段 , 采用 空 间实体 单 元或 板 单元 模 型 尚有 困难 。 因此 通常做法都是纵向计算采用平面杆系模型, 横向计算 则按平面框架考虑。实施的理念是 : 纵横分算, 综合考 虑。这里特别强调一下计算时必须综合考虑。 主应力计算时, 除综合考虑横 向框架效应的影 响 外 , 还 必须 重视温 度 自应力 对 主 拉应 力 的影 响 。主应 r—F ——一 力 计 算 公 式 : 半 . / f 1 + 7.2 中 , 主 应 力 二 、, \ z / 计算 点处 由荷载 产生 的沿纵 向 的正应力计 算公 式应 为 ^, ^ o - = 一--k 号y + 。公式最后一项o - 为沿截面温度变 化 的非线 性梯度 温度 产生 的 自约束 应力 。此应 力用 截 面 内力是 无法计 算 出来 的 , 设计分 析容 易遗漏 , 以至于 造成主应力计算值偏小。 斜腹 板箱 梁抗剪 计算 时 , 应采 用腹 板垂直 厚度 , 而 不 应取腹 板水平 截线 宽度 。这点 在 以往 的 主应 力计算 中也经 常被忽 视 。 3 . 1 . 4 预应力损失计算参数应取规 范容许值的上限 有大量资料证明预应力的有效性实测值 , 明显低 于设计分析的期望值 。其 中一个很重要的原因就是规 范中预应力损失计算参数取值偏低。如管道偏差系数 ,实测值经常比规范值大 6倍左右。K值是反映管道 线形平顺度的 , 与施工质量有很大关系, 存在很大的变 数。美国桥规 中对 K的取值 比我国规范要大 。鉴 于 以上原因, 设计计算时预应力损失计算参数均应取规 2 0 1 1年第 l 2期 预应力 混凝 土箱梁常见病害分析及设计对策 4 7 范值 的上限。 3 . 1 . 5 考虑 腹板 箍 筋双 向 受力 对于预应力混凝 土箱梁 , 腹板箍筋既要参与纵向 抗剪又要承受横 向抗弯。设计 中如果把箍筋 1 0 0 %进 行纵向斜 截 面抗 剪 计算 , 强度 满 足要 求 , 再 把 箍 筋 1 0 0 %进行横 向框架计算也满足要求。看似所有验算 都通过 了, 实则不然。箍筋不能在参与一个方 向受力 的同时再 1 0 0 %地在另一个方向发挥作用 。 3 . 1 . 6重视 横 隔 梁处 的受 力分析 以往预应力混凝土箱梁设计 中往往重视纵 向的平 面计算和横向框架计算 , 对于横隔梁的分析计算重视 程度不够 。高而短的横隔梁 , 一般只有两个支座, 且支 座离腹板较近 , 横隔梁一般不控制设计。但对于矮而 长的横隔梁 , 当支座距离腹板较远 , 或者个别腹板下面 没对应设置支座时 , 需要特别 注意。这时需要将横隔 梁简化为工字梁来进行计算 。简化模型的外荷载中不 要把腹板传来 的巨大集 中剪力漏掉。 3 . 1 . 7 局 部计 算 时 需要 考 虑预应 力径 向力影 响 横向计算 以及锯齿块或预应力钢束弯曲处局部计 算时, 不能遗漏预应力钢筋弯 曲产生的径 向分力对计 算结果的影响。 3 . 2构 造细 节方 面 3 . 2 . 1 合 理 确定 箱 室构造 前面提到由于箱梁 的空间效应 , 平面计算 的主拉 应力 往往 低 于箱 梁腹板 实 际产 生 的主拉应 力 。且 二者 的差异主要与箱梁腹板之间的距离有关 , 箱梁腹板 间 距越大 , 按照平面计算 的主拉应力值就越不 可靠。建 议预应力混凝土箱梁腹板间距不宜太大 , 当需要较宽 的桥面时 , 可采用单箱多室的箱形截面 。梗腋布置在 顶底板与腹板连接的部位 , 起均匀过渡力线 、 增加横向 刚度 以抵抗扭转 、 畸变应力。形式上可分 为竖承托和 横 承托 。竖 承托 对腹 板 受 力 有 利 ; 横 承 托 对顶 底 板 受 力有利。一般而论 , 受抗剪 、 主拉应力控制的宜设置竖 承托 ; 受纵横向抗弯控制的宜设置横承托。对 于需要 布置竖向预应力的箱梁 , 其梗腋高度不能太小 , 避免竖 向预应力锚头空 白区延伸至腹板 , 导致靠 近翼板加腋 处 的腹板 出现主 拉应力 裂 缝 。 3 . 2 . 2 优 化钢 柬 布置 预应力混凝土箱梁设计时不单要重视仿真计算 , 还必须进行合理的钢束 布置。在许多设计 图纸 中, 经 常会看到钢柬随意布置的现象。预应力钢束的布置应 引起高度重视 。 顶底板纵 向预应力钢束锚固位置应尽量布置在靠 近截面厚实部位附近 , 锯齿块应尽量与腹板连成一体 或靠近腹板。让锚固力传至全截面的区段尽量短 , 同 时有利于克服剪力滞效应。 悬臂施工的变高度箱梁 , 腹板束下弯锚固角度尽 量大一些 , 分批下弯锚 固的腹板束需有前后重叠部分 , 避免 出现没有预剪力的空 白区。在梁端需要配置向上 弯起锚固的钢束。 纵向预应力钢束平弯时 , 必须妥善处理平弯与腹 板箍筋位置重叠的问题 , 避免过分削弱腹板抗剪能力。 预应力钢束弯 曲处 , 会在弯曲平面 内产生垂直预应力 钢束 的径 向分力。在布置纵向预应力钢束时应尽量避 免这个力对结构局部造成不利影响。 由于桥 面板较 薄 , 横 向预应 力一 般采 用扁波 纹管 。 在实际工程中常用钢束根数为 4束或 5束。其锚圈 口 的损失 , 5束大于 4束 , 且 比圆锚时要大, 其锚 固效率 系数也难保证达到 9 5 %。同时在穿束 过程 中也极易 纠缠在一起 , 建议每管 内不宜超过 4束。扁波纹管的 高度不宜太小 , 太小不利于饱满灌浆和可靠握裹。 竖 向预应力钢筋应布置在腹板中心线上。经常会 看到竖 向预应力钢筋沿腹板布置在一条直线上 , 以利 构造和施工。但是对于跨径较大的箱梁 , 腹板厚度一 般会设计几个梯 度进行变化 , 且均在腹板 内侧加厚。 因而上述这种构造 , 将会导致在腹板 中存在一个预偏 心而产生附加弯矩 , 使腹板内外侧竖向正应力 o r 不均 匀 分 布 , 加剧 腹板 主拉 应力裂缝 的发生和 发展 。 3 . 2 . 3 支座 布置 支座布置不合理及横隔梁计算模型中外荷载考虑 不周是造成横隔梁裂缝的主要原因。支座应尽量靠近 箱梁腹板布置。对于单箱双室 的箱梁, 横向应设置三 个 支座 , 分别 对应 三道腹 板 。 3 . 2 . 4其 它构造措 施 顶底板纵向预应力钢束 不应在受拉区 同一断面 上集 中锚 固, 避免 出现锚后 局部受拉 裂缝。与腹板 连成一体的齿块 , 除在顶 底板锚后设 置抗 裂钢筋外 还应在腹板设置锚后抗裂钢筋。箱梁截面纵 向普通 钢筋应采用小 直径 的 H R B 3 3 5钢 筋 , 间距不 宜超过 1 0 e l i 1 , 以利于防止混凝 土表 面收缩裂缝等非受力裂 缝 的产 生 。 4 结 论 经以上分析研究 , 提出以下主要结论 : 1 ) 设计时应全面考虑各种因素 , 按照结构实际状 态以偏安全的原则编制计算简图 , 进行准确建模仿真 计算 , 不遗漏可能的控制工况 。 2 ) 保证预应 力的有效性对 于防止各种裂缝 非常 关键 。设计计算时应选择准确的预应力损失计算参 数 , 并适 当增加预压应力安全储备。 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编 号 : 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 2 - 0 0 4 8 — 0 3 多重调频质量 阻尼器 ( MT MD) 作用 下 3 2 m 混凝 土 简支梁的车桥动力特性分析 熊建珍 , 高芒芒 ( 中国铁道科学研 究院 研 究发展 中心, 北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要 : 针 对 苏州北 高架车站 站 内高速正 线 3 2 1 1 3_ 双线 简 支箱 梁 , 在 正线 梁体 内安 装 多重 调 频质 量 阻尼 器 ( MT MD ) 的设计方案 , 通过建立车~桥耦合动力分析模型 , 进行动力仿真分析, 通过对比加装 MT MD前 后列车、 桥 梁的振动响应, 评价该设计方案对桥 梁及 车辆的减振效果。计 算结果表 明, 加装 MT MD后, 桥梁 自振频率均有所降低 , 并以一阶垂向频率相对最为明显; 加装 MT MD对车辆响应的影 向 很小, 可忽 略不计 ; 加装 MT MD后桥 梁的垂向、 横向振动均有所减小, 对桥梁起到 了一定的减振作用。 关键 词 : 减振措 施 多重调 频质 量 阻尼 器3 2 I n简 支梁 车桥 耦合 中图分 类号 : U 4 4 8 . 2 1 7 ; U 4 4 3 . 3 5 文 献标识 码 : A l 工 程概 况 苏州北高架车站 为岛式站台, 正线及到发线共 6 股道 , 轨道及站台位于桥上 , 站房位于桥下。站台范围 桥梁孔跨布置为 2 X 2 4 I n+1 13 2 1 "1q + 22 4 m简支 收稿 日期 : 2 0 1 1 — 0 6 — 2 5; 修回日期 : 2 0 1 1 - - 0 9 2 0 作者简介 : 熊建珍 ( 1 9 7 1 一) , 女 , 江西丰城人 , 副研究员 , 硕士。 梁, 横向分成独立的五 幅桥 , 高速正线桥位于中间, 为 双线混凝土梁。正线桥梁面宽度为 9 . 9 8 I I 1 。箱底宽 5 . 5 0 i n , 梁 高 3 . 0 5 i n , 单箱 单 室截 面 , 跨 中顶 、 底 、 腹 板 厚度分别为 3 0 c m, 2 8 c m, 4 5 c m, 梁端处局部加厚 。 为减小正线高速列车通过时对相邻结构的振动影 响 , 设计中所有房建结构均与正线桥梁部、 桥墩、 承台 脱开 , 也与到发线桥梁部脱开 ; 房建结构雨棚柱支承在 外侧到发线桥墩上部。为进一步研究高架车站的减振 3 ) 重视预应力混凝土箱梁 的整体构造及细节处 理 , 采用横 向受力较好的截面形式, 尽量减小“ 空间效 应 ” 影 响。 4 ) 各种 预应力 钢束 , 需 要综合 分析 , 合理 布置。 保证预应力荷载传递匀顺 , 尽量避免应力集中。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘 山洪 , 钱永久. 大跨预应力混凝土箱梁桥腹板裂缝 的控制 研究 [ J ] . 重庆交通学 院学报 , 2 0 0 5 ( 4 ) : 1 9 — 2 2 . 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