湖南某预应力混凝土箱梁桥崩裂原因分析.pdf

第 9卷第 5期 2 0 1 2年 l 0月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF RAl L W A Y S Cl E NCE AND E NGI NEERI NG VO1 9 NO 5 oc t 2 01 2 湖南某预应力混凝土箱梁桥崩裂原 因分析 林小雄 ， 钟新谷 ， 舒小娟 ( 1 广西建设职业技术学院 城 市建设与交通工程 系， 广西 南宁 5 3 0 0 0 3 ； 2 湖南科技大学 土木工程 学院， 湖南 湘潭 4 1 1 0 2 1 ) 摘要 ： 针对 湖南某预 应力混凝土连续箱梁桥 合龙后底板 出现崩裂 问题 ， 以箱梁底板 预应力束 的等效径 向力经典计算公 式 为基础， 修正了经典等效径向力的计算公式， 并结合 实际施工情况， 分析 了事故发生的原因。同时采用通用有限元程序 A N S Y S分析了底板应力分布规律。研究结果表明： 本文提 出的修正公式计算的崩力与有限元拉力分布相符合， 在此基础上 提 出了预防底板崩裂的措施 ， 具有一定的 实际意义。 关键词： 混凝土变截面箱梁桥； 有限元； 底板崩裂； 等效径向力 中图分类号： U 4 4 7 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 7 0 5 Ca u s e a n a l y s i s o f t h e b u r s t i n g c r a c k s i n b o t t o m s l a b o f P C b o x g i r d e r b r i d g e L I N X i a o x i o n g ， Z H O N G X i n g u ， S H U X i a o - j u a n ( 1 D e p a r t me n t o f C i t y C o n s t r u c t io n a n d T r a ffic E n g i n e e r i n g ， Gu a n g x i P o l y t e c h n i c o f C o n s t r u c t i o n - N a n n i n g 5 3 0 0 0 3 ， C h i n a 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Hu n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n g t a n 4 1 1 0 2 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ai me d a t t h e p r o b l e m o n t h e b u r s t i n g c r a c k i n b o t t o m s l a b o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o xg i r d e r b rid g e i n Hu n a n d u rin g c a n t i l e v e r c o n s t r u c t i o n，b a s e d o n t h e c l a s s i c f o r mu l a o f e q ui v a l e n t r a d i a l f o r c e o f s t r a n d i n b o t t o m p l a t e， t h e f o r mu l a o f e q u i v a l e n t r a d i al f o r c e wa s mo d i fi e d ， a n d t h e c a u s e o f t h e a c c i d e n t s w a s a n a l y s i z e d w i t h t h e a e t u al e n g i n e e rin g The s t r e s s d i s t ri bu t i o n l a w o n t he b o t t o m s l a b wa s a n a l y s i z e d by us i n g fin i t e e l e me nt s s y s t e mTh e r e s ul t s s h o w t h a t b ur s t i n g f o r c e c a l c u l a t e d b y t h e mo d i fie d e q u i p me n t we l l c o i n c i de wi t h b u r s t i n g f o r c e b y fi n i t e e l e me n t s s y s t e mS o me me a s u r e me n t s we r e p ut f o r wa r d t o p r e v e n t b o t t o m p l a t e f r o m c r a c k i n g o n t h i s b a s i s ，wh i c h h a s c e r t a i n p r a c t i c a l s i g n i fic a n c e Ke y wo r d s： v a r i a bl e c r o s ss e c t i o n c o n c r e t e b o x g i r d e r b rid g e；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s； b ur s t i n g c r a c k i n b o t t o m s l a b： e q u i v a l e n t r a d i a l f o r c e 1 工程概况 湖南某桥位于省道 $ 2 0 4线 ， 主桥跨径为 6 2 m + 51 0 5 m+6 2 m预应力连续箱梁桥 ， 单箱单室 箱型截面， 箱梁根部梁高 6 m， 跨 中梁高 2 8 m， 底 板厚度支点处为 0 8 m， 跨 中部位 为 0 2 8 m， 下缘 曲线方程为 Y=0 0 0 1 3 x ， 在墩顶和跨 中各设置 一 道横隔板 ， 厚度分别为 1 2 m和 0 4 m( 图 1 ) 。 该桥合龙顺序为先边跨后中跨进行合龙 ， 在对称合 龙次边跨 6 # 7 # 墩和 1 0 #l 1 墩后 ， 张拉预应力 的过程中， 发现底板混凝 土大面积崩裂 ， 施工单位 立即停止施工 。经查 阅设计图纸可知 ， 该桥的抗崩 设计参数符合规范l 1 的规定 ， 但 若考虑箱梁悬臂 施工特点对等效径向力的影响 ， 则防崩钢筋配置不 足 ， 抗崩设计参数存在一定问题。 0 O 0 图 1 湖南某连箱梁桥 Fi g 1 Brid g e i n Hun a n 2 等效径向力分析 精确计算等效径向力并与实际崩力相符合是防 治崩裂的关键 m 。变截面预应力混凝 土箱型桥 一 般采 自平衡施工 ， 合龙后后期索一般沿底板线形 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 6 2 2 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 T S 1 8 3 ) 作者简介 ： 林小雄 ( 1 9 8 1一) ， 男 ，广西桂林 人 ， 硕士研究生 ， 从事大跨度桥梁设计理论 与施工监控研究 3 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年 1 0月 而布置， 曲线预应力束张拉会产生沿曲心方向的等 效径向力 q( 图2 ) 。现行规范 提供了等效径向力 计算公式 q 规 范 =1 2 F R( 其 中 尺为 曲率半径 ； 1 2 为考虑其他因素的安全系数 ， 预应力束按理论设计 线形布索时规范 安全系数 1 2可确保工程安全) 。 但大跨度预应力混凝土箱梁桥 自平衡施工过程 中采 用分段直线 ， 施工完成后箱梁底板是 由多段折线组 成 ， 同时在施工过程中， 波纹管定位与理论线形总是 存在一定的偏差 ， 定位误差是客观存在的， 这些因素 均会影响 的变化。因此 ， 同时考虑施工过程 的分 段直线 、 施工定位误差预应力混凝土箱梁底板径向 力影响后， 现行规范的安全系数 1 2已无法确保 工程安全， 在抗崩参数设计时应合理考虑这一特点。 图 2 等效径向力分析 示意图 Fi g 2 An a l y s i s o f e q u i v a l e n t r a d i a l f o r c e 现分析定位误差对等效径 向力的影 响， 设 K， 为定位误差影响系数 ， 原预应力束 抛物线方程为 Y=a x ， 每施工块 的定位误差控制标准为 ， 为 某施工梁段的起点在坐标 ， t+ 为某施工梁段的终 点在坐标如图 3所示 ， 则变化后的曲率半径为： ( R =( ) +( R 一矗 ) ( 1 ) 由式( 1 ) 解得 ： ( “ 一 。 ( 一 图 3 定位误差分析 图 Fi g 3 Ana l y s i s o f p o s i t i o n i n g er r o r 抛物线在施工梁段 中点的曲率半径为 R为 ： R 一 1 n(n一 )口l 上 l 由式( 2 )和( 3 )有 ： = 号 = = 2 ( 1 + n 2 。 ( ) ( 一 。 ( + ( 3 ) 一 n ( ) 盟 一 。( ) ) + 1 J 现分析折线拟和抛物线对等效径 向力的影响， 设 为折线拟合抛物线影响系数， 取一施工梁段来 其长度为 ， 如图4所示。 图4中： 0 和 0 ： 相邻折线 延长线的夹角 ； 口为相邻折线延长线顶点夹角 ； o z 为 折点上抛物线切线顶点夹角。 将张拉力 n 分解到平 行于施工段 厶 和垂直于施工段 t 折线上， 得： F l=N s i n ( 0 1 ) F z c 。 s ( 一 ) ( 5 ) F 3=N s i n ( 0 2 ) F 4=N c o s ( 0 2 ) 因此 ， 可 得 q ： q 2= = ( 6 ) 一 o 由于 A x 相对于 很小 ， 所以， 可取 s i n 0 0 ， s i n 0 ： 0 ： ， 则式( 6 )可化简成 ： q 2= 一 由于 A x 很小， 因此 ， 3 O ， 由三角形 内角和定 理得 ： 0 1-4 - 0 2=叮 一 3= 一 ( 8 ) 由于 0 +0 2 很 J 、 ， 因此 ， f 0 -4- 0 ， f =t a n ( ) ( 9 ) 设预应力束 曲线方程为 y=a x 则有 ： 1 。 +0 2 I =t a n ( )= ( 。 ) 将式 ( 1 0 )代入式( 7 ) 得 ： q 2= J 与抛物线等效径向力公式对比得 ： 第 5期 林小雄 ， 等： 湖南某预应力混凝土箱梁桥崩裂原因分析 4 1 由表 3可知 ： 波纹管下方混凝土受压 ， 孔肋受 拉 ， 数值分析的竖 向拉压力之和 P = 3 5 3 3 k N， 而总的等效径 向力 q i L =3 5 8 4 k N， 两者基本相 等。在等效径向力的作用 ， 孔肋拉力在横 向呈现不 均匀分布 ， 靠 近腹板区域拉力大 ， 反之则小 ， 因此 ， 防崩钢筋在横 向应采取不均匀布置。由表 3可知 ： 分块 区域数值分析与修 正公式计算的防崩钢筋基 本上 A 修 正 A 馓值， 而A 修 正 EA 馓值， 证 明了本文 提出的修正公式的合理性。因此 ， 按本文提出的修 正后的等效径 向力作为崩力依据配置防崩钢筋是 安全可靠的。 4 结论 ( 1 ) 湖南某桥底板抗崩设计参数满足文献 1 中规范的规定 ， 崩裂主要是由于等效径向力计算时 未考虑箱梁桥悬臂施工特点造成的。 ( 2 ) 箱梁桥即使满足整体应力要求 ， 底板在等 效径向力作用下也有可能崩裂 ， 因此 ， 箱梁底板应 进行整体应力计算和局部应力计算 。 ( 3 ) 箱梁桥采用悬 臂法施工时底板束偏离 了 理论线形导致 了等效径 向力的增大 ， 按文献 1 中 规范配置的防崩裂钢筋往往 不足 ， 因此 ， 防崩钢筋 设计时应合理考虑这一点。本文提出的修正公式 符合实际应力分布规律， 因此 ， 修正后 的崩力作为 外力的依据可确保工程安全 。 参考文献： 1 J T G D 6 2 -2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设 计规范 S J T G D 6 2 - 2 0 0 4， C o d e f o r d e s i g n o f h i g h w a y r e i n f o r c e d c o nc r e t e a nd pr e s t r e s s e d c o n c r e t e b ridg es a nd c ul v e r t s S 2 林小雄预应力混凝土变截面箱梁桥底板抗崩设计参 数研究 D 湘潭： 湖南科技大学， 2 0 1 2 L I N Xi a o x i o n gRe s e a r c h o n d e s i g n p a r a me t e r s o f b ur s t i n g c r a c k i n b o t t o m s l a b o f P C b o xg i r d e r b r i d g e ( Ma s t e r D e g r e e T h e s i s ) D X i a n g t a n ：H u n a n U n i v e r s i t y o f S c i e nc e a nd Te c h no l o g y， 2 01 2 3 娄晟嘉， 杨吉新 预应力混凝土连续刚构桥底板脱落成 因分析 J 中外公路， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 9 01 9 3 L O U C h e n g - j i a ， Y A N G J i x i n B o t t o m s l a b o f 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 ri g i d f r a me b ri d g e o ff a n a l y s i s j J o u r n a l o f C h i n a& F o r e i g n H i g h w a y ， 2 0 1 0( 3 ) ： 1 9 0 1 9 3 4 包立新， 杨广来 ， 杨文军 对连续刚构底板开裂问题的 探讨 J 公路 ， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 3 9 4 1 B A O L i - x i n g ，Y A N G G u a n g l a i ，Y A N G We n - j u n A p p r o a c h t o c r a c k pr o bl e ms o f b o t t o m p l a t e o f c o nt i n u o us rig i d fl a m e b r i d g e J H i g h w a y ， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 3 9 4 1 5 R o b e r t s C L B e h a v i o r a n d d e s i g n o f t h e l o c a l a n c h o r a g e z o n e i n p o s t t e n s i o n e d c o n c r e t e D A u s t i n ， T X： U n i v e r s i t y o f Te x a s ， 1 99 0 6 S t o n e W C， B r e e n J E B e h a v i o r o f p o s t t e n s i o n e d g i r d e r a n c h o r a g e z o n e s J P C ! J o u r n a l ，1 9 8 4 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 4 1 0 9 7 项贻强 ， 唐国斌 ， 朱汉华 ， 等预应力混凝土箱梁桥 施工过程中底板崩裂破坏机理分析 J 中国公路学 报 ， 2 0 1 0 ， 2 3 ( 5 )： 7 0 7 5 XI ANG Yi q i a n g， T ANG Gu o - b i n， Z HU Ha n h u a ， e t a1 Pr e s t r es s e d c o nc r e t e bo x g i r de r b rid g e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s b a c k p l a n e c r a c k f a i l u r e m e c h a n i s m J C h i n a J o u rna l o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t ， 2 0 1 0， 2 0 ( 5 )： 7 0 7 5 8 冯鹏程， 吴游宇， 杨耀铨， 等 连续刚构桥底板崩裂事故 的评析 J 世界桥梁， 2 0 0 6( 1 )： 6 66 9 FENG Pe n g c h e ng，W U Yo u y u，YANG Ya o qu a n， e t a 1 A n a l y s i s o f a c c i d e n t o f b u r s t i n g c r a c k i n b o t t o m s l a b o f a c o n t i n u o u s ri g i d f r a m e b ri d g e J Wo r l d B ri d g e s ， 2 0 0 6 ( 1 )： 6 6 6 9 9 潘钻峰， 吕志涛 大跨径连续刚构桥主跨底板合龙预应 力束的空间效应研究 J 世界桥梁 ， 2 0 0 6( 4 ) ： 3 6 3 9 PAN Zua n f e n g， LV Zhi - t a o S t ud y o f s pa t i al e f f e c t o f c l o s u r e pr e s t r e s s i ng s t r a nd s i n ma i n s pa n b o t t o m s l a b o f l o n g s p a n c o n t i n u o u s r i g i df r a m e b r i d g e J Wo r l d B ri d g e s ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 6 3 9 1 0 魏乐永， 沈旭东 ，肖汝诚， 等预应力混凝土连续箱 梁底板崩裂破坏的机理及其对策J 结构工程师， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 5 3 5 7 W EI L e y o ng，S HEN Xu d o n g，XI AO Ru c h e n g， e t a 1 C r a c k i n g for b o t t o m s l a b i n a c o n t i n u o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x g i r d e r J S t r u c t u r a l E n g i n e e r s ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 5 35 7