大跨度双层预应力混凝土连续梁桥裂缝产生原因分析与防治.pdf

8 浙江 交通科技 2 0 0 6年第 3期 大跨度双层预应力混凝土连续梁桥 裂缝产 生原 因分析与防治 尹 向红 郭传 点 范厚彬 陈湘恺 ( 宁波交通工程 建设集 团有 限公 司 宁波3 1 5 0 1 0 ) ( 浙江省交通工程建设集 团 杭州 3 1 0 0 3 1 ) 摘要 文章针 对曹娥江大桥在首次施工箱粱 0 #、 1 #块时 ， 横隔梁 、 腹板上 出现裂缝 这一现象进行 了理论分析及有 限元 计算 ， 找到了其裂缝产生的原因 ， 在以后施 工的 0# 、 1 #块箱 梁中采取 了裂缝 防治措 施 ， 证明其适用于实际工程中。 关键词 连续箱梁桥 ； 裂缝 ； 分析与防治 1 引言 预应力混凝土连续箱梁桥具有线条流畅 、 造型 美观 、 结构刚度大、 行车舒适 、 施 工技术成熟 、 养护 简易等突 出优点 ， 因此 ， 它普遍受 到社会各界的青 睐 ， 使用越来越广泛。预应力混凝土连续箱梁桥虽 然在我省 的发展起 步较迟 ， 却发展很快。但是 ， 预 应力混凝土连续箱梁桥在施工阶段和运营过程中 往往有不 同程度 的裂缝 ， 并且所产生 的裂缝还具有 一 定 的普遍性 和规 律性 ， 这 也是 一直 困扰 土木 科 技 工作者的难题 ， 也越来越引起人们的重视。世界各 个国家有许多科研机构 和学者都在潜心研究裂缝 问题 ， 如 美 国 的混 凝 土 协 会 、 英 国的水 泥 与 混 凝 土 协 会 、 德 国的 钢 筋 混 凝 土 协 会 、 法 国规 范 C C B A、 欧 洲混凝土协会 、 国际预应力混凝土协会 、 俄罗斯的 混凝土及钢筋混凝土研究院、 中国的建筑科学研究 院、 冶金部建筑研 究学 院、 长安大学 等研究机构 。 我 国也有很 多学者， 也一直在研究裂缝问题， 如赵 国藩 、 杨文渊等很多学者。 位于上虞市外环南路的曹娥江大桥 ， 主桥为预 应 力混 凝土 连续 梁 桥 ( 见 图 1 ) 。 箱梁中心 线 I 一 50 925 i 999 图 1 混凝 土 主 梁 标 准 断 面 l 配跨为 5 5 m+5 7 2 m+5 5 m。主桥上层横断面 为 ： 先张拉纵向预应力束 ， 再张拉 5 0 的横向束 ， 最 为 1 7 m ( 机动车道) +20 5 m( 防撞拦 ) ， 总宽 1 8 m； 后张拉竖向预应力束。张拉完毕后 ， 拆 除内、 外侧 下层为分离的两幅车道， 横断面为 21 5 m( 人行 模 ， 模板拆除后发现有沿束道方 向的裂缝 ， 规律性 道) +2 4 0 m( 非机动车道 ) +9 8 m( 混凝土连续箱 极强 ， 见图 2所示 ， 其长为 5 01 5 0 c m不等 ， 裂缝距 梁) 。下部结构采用钻孑 L 灌注桩基础 ， 桩直径有两 锚端约 2 m， 宽度不大 于 0 1 m m。笔者是基 于上述 种 ， 大 小 分 别 为 1 5 m、 1 2 m， 桩 长 一般 在 4 0一 情 况 而进行 分 析研 究 的 。 5 0 m范围。双层预应力混凝土连续箱梁在全 国范 2 裂缝产生原因分析与防治 围内屈指可数 ， 仅江西南昌大桥一座 ， 曹娥江大桥 2 1 裂缝产生原因分析 为第二座， 而在我省范围内为首例。该桥梁结构形 从广义上说裂缝是 固体材料中某种不连续现 式较 新颖 ， 且具 有一 定 的施 工难 度 。在 严格 按 照 设 象 ， 属 于结 构材 料强 度 理论 范 畴 。桥梁 结 构 的裂 缝 计和施工技术规范要求下， 施工单位在首次施工 0 是 由于结构材料 的物理力学特性或荷载作用 ， 而使 #、 1 #块( 1 4#墩 ) 时 ， 在箱梁上仍 出现 了裂缝 ， 裂 得结构的某些部 位所受 的应力大 于结构 自身 的抗 缝分布情况大致为 ： 第一 、 横隔梁与腹板相交的倒 力而产生裂 缝。桥梁混凝 土结构产生裂缝 的因素 角处 发 现了水平 和竖 向裂 缝 ， 竖 向裂 缝从 人 孑 L 处发 主要 有 ： 与 材 料 的 性 质 有 关 ； 与 施 工 方 法 有 展到 自来水管预 留孑 L 处。第： 二、 在混凝土达到设计 关 ； 与使用环境条件有关 ； 与设计 因素有关 ； 强度 的 8 5 后 ， 进行三向预应力束 张拉 ， 张拉顺序 其它方面的原 因 ， 比如 ， 对结构受力的复杂性认识 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年 第 3期 浙江交通科技 9 不足等。但从 力学机 理来看 ， 上述 因素均可归结 为 ： 混凝土裂缝是受拉应力产生 的。 图 2 腹板上 沿束 道方 向的裂缝示 意图 本桥 0 #、 1 #块箱梁在施工过程 中主要受以下 几种荷载 ： 环境温度 、 硬化过程 中水化热等形成 的温度差 ， 温度差导致温度荷 载； 预应力的张拉 荷载； 自重 、 施工人群等荷载。0 、 1 #块箱梁采用 贝雷搭设平台进行施 工的， 并且进行 了 1 0 0 的预 压 ， 施工过程中整个 0撑、 1 #块箱梁受力状态应为 超静定状态， 因此， 自重 、 施工人群荷载不致产生局 部裂 缝 ， 可排 除是 因 为 它们 产 生 的裂 缝 ， 而 横 隔梁 与腹板 相 交 的倒 角 、 人孔 与 自来水 管周 围受 预应 力 张拉荷载几乎没有 ， 因此 ， 我们可 以判定 ， 横隔梁与 腹板 相交 的倒 角处 发现 的水 平 和竖 向裂 缝 ， 以及 从 人孔 处发 展到 自来水 管预 留孔处 的竖 向裂缝 ， 是 由 于环境温度 、 水化热 等引起 的温度裂缝 或收缩裂 缝。而箱梁腹板混凝土除受温度荷载外 、 主要还受 预应力张拉荷载， 因此， 现在不能简单地判定沿预 应力束道方 向的裂缝 是温度荷载或预应力张拉荷 载所致 。为了分析沿预应力束道方向的裂缝 产生 原因， 笔者利用 V i s u a l F o r a n语言编制了相应的二 维实体有限元专用计 算程序。本文在对腹板进行 受力状态和变形情况计算时 ， 做了如下假定 ： ( 1 )假定混凝土为各 向同性 的线弹性材料 ； ( 2 )预应力视为外荷载 ， 并把其换算为锚 下均 布荷载； ( 3 )因腹板 内仅有纵 、 竖 向预 应力束， 将腹板 受力情 况 简 化 为 平 面 应 力 问题 ， 腹 板 纵 向 长 度 取 3 m， 竖 向长度 为 3 3 m， 采用 自制 的有 限元 网格 自动 剖分软件 D r a w 9 6 b把其划分为如 图 3所示 的网格 图 ， 单元类 型为 8节 点 等参单 元 ， 其 中节点 总数 1 2 8 1 ， 单元总数为 4 0 0 ； ( 4 )所取计算 截面上的单元 节点约束处理见 图 3 。 为 了确切 地 对 预 应 力 施工 顺 序 进 行 有 限元 数 值模拟 ， 笔者进行了三种情况的计算， 它们分别是 ： 第一 、 先张拉纵向预应力束 、 第二 、 先张拉竖 向预应 力束 、 第三 、 纵向预应力束和竖向预应力束同时张 ， 、 、 ， ， 、 、 ， 、 、 ， ， 、 、 | 1 | | 图 3 有限元网格 图 拉。把计算结果整理成最大主应力等值线图 和变形图， 见图49 ， 其 中， 变形图 4 、 6 、 8中的实线 表示 有 限 元 网格 ， 虚 线 表 示 变 形 ( 变 形 放 大 2 0 0 倍 ) 。 I I I + + + l l j f l l I ! l l I ll 1 L 。 i + 丰 * Ir 下 r广 群 l l 卜 一 图 4 先张拉纵向预应力束 的变形图 维普资讯 http:/ 1 0 浙 江交通科 技 应力单位为 M P a 2 0 0 6年第 3 期 拉荷载： 同作用所致 。 成力 位 ( M P a ) 纵向长度 ( 单位 m ) 图7 先张拉竖向预应力束的主应力等值线图 图 5 先张拉纵 向预应力束的主应力等值线 图 lI I IJ j I l 上 I I |_u f ： I I j I I I ； l j一 j ； ； i j l -一 J ； f 一 L _ J 一 i _ _ J 一 i ； 一 - 一 _ J 一 l - 一 - 一 _ _ J i l L 一 f i i i i ： i i ， 一 一 I i i I； B 一 一 一 I 一 I 图 6 先张拉竖 向预应力束的变形 图 从图 9中可以看出， 同时张拉纵向和竖 向预应 力束 时 ， 腹 板 内几 乎无 拉 应 力 ， 整 个 腹 板 处 于 受 压 状态 ， 见变形图 8所示。从 图 5和 图 7可 以看 出， 不论是先张拉纵向预应力束还是竖 向预应力束 ， 腹 板内均出现了大小不 同的拉应力 ， 其 中先张拉纵向 预应 力束 所 产 生 的拉 应 力 较 大 ， 其 最 大 值 达 到 0 8 M P a 左右， 先张拉竖 向预应 力束所产生 的最大 拉应 力相 对更 小一些 ， 其 最 大值 达 到 0 3 5 M P a 左 右 虽然先 张拉纵 向预应力 束所引起 的最大 拉应力 0 8 M P a ， 没有 超过混 凝 土抗 拉 强 度 2 O M P a ， 但 再 加 上温度荷载引起 的拉应力 ， 与其叠加 ， 很有可能引 起沿束道方 向的裂缝。由于先张拉竖 向预应力束 的最大拉应力仅为 0 3 5 M P a ， 引起裂缝 几率 更小。 通过以上分析 ， 似可 以得 出结论 ： 施工过程中腹板 上出现沿束道方 向的裂缝 是温度荷载和预应力张 I L -I f I _ j F F l 一 = t r 一 T 一 图 8 同时张拉纵 、 竖 向预应力束 的变形 图 应力单位 ( M e a ) 受 备 图 9 同时张拉纵 、 竖 向预应力束 的主 应力 等值 线图 2 2 裂缝预 防 措施 通过 2 1 节 的 分 析可 知 ： 横 隔梁 与腹 板相 交 的倒 角处 发 现 的水 平 和竖 向裂缝 ， 以及 从 人 孔处 发 维普资讯 http:/ 2 0 0 6年第 3期 浙江交通科技 展到 自来水管预留孔处的竖 向裂缝 ， 是 由于环境温 度 、 水化热等引起 的温度裂缝或收缩裂缝 ； 施工 过程中腹板上出现沿束道方 向的裂缝是温度荷载 和预应力张拉荷载共 同作用所致。环境温度差可 以通过混凝土浇注后的勤养护得以控制， 本桥横隔 梁长 、 宽 、 高分别为 8 1 m、 1 8 m、 3 3 m， 应属于大体 积混凝土， 大体积混凝土浇注时的水化热引起温度 应力不容忽视， 仅在大体积混凝土 的表面采取降温 措 施 只能增 大水 化热 引起 的温 度 应力 ， 最 好是 在 混 凝土中埋设冷却 管， 但 本桥采取 此项措施不 太可 能。为防止温度荷载和预应力张拉荷载产生裂缝， 我们最后采取了以下措施 ： 第一 、 在横隔梁、 腹板上均设置 防裂钢筋网片， 钢筋网片的型号为 5 5 05 0 m m。 第二 、 改变张拉顺序 ， 同时张拉腹板内的纵 、 竖 向预应力束时 ， 腹板 混凝土结构 始终处 于受 压状 态， 但 同时张拉纵 、 竖 向预应力束对于施工方来说 投资太 大 ， 操作起来 也 几 乎不 可 能 。 由于先 张拉 竖 向预应力束 比先张拉 纵向预应力束产 生的拉应力 更 小 ， 因此 ， 必须先 张拉 竖 向预 应 力 ， 再 张 拉纵 向预 应 力 。 实践 证 明 ， 采取 以 上 两个 措 施 后 ， 以后 施 工 的 箱梁 0 、 1 块的横隔梁 、 腹板均没有再出现裂缝 ， 取得了较好 的防治效果。 3结语 通过 以上 的分析 研究 ， 可 以得 到如下 结论 ： 首次施工 0 、 1 块横隔梁与腹板相交 的 倒角 处 所发现 的水平 和 竖 向裂缝 ， 以及从 人 孔 处到 自来 水 管 预 留 孔 处 的 竖 向裂 缝 ， 这 是 由 于 环 境 温 度 、 水化热等引起的温度裂缝或收缩裂缝 。而腹板 上出现沿束道方 向的裂缝是温度荷 载和 预应力张 拉荷载共同作用所致 。 针对大跨 度预应力混凝土桥梁 ， 增设 防裂 钢筋 网片能有效克服由于环境温度 、 水化热等导致 的温度 裂缝或 收缩 裂缝 ； 施工单位在预应力束张拉之前 ， 建议首先 针对施工顺序进行施工力学的计算 ， 找到最有利的 张拉 顺 序 ， 以避免 张拉 引起施 工 裂缝 。本 工 程 最后 确定 的张拉顺序 ： 先张拉竖 向预应力束 ， 再张拉纵 向预应力束。实践证明， 是成功有效的。 参考文献 1 范立础 预应力混凝土连续梁 北京 ： 人民交通出版社 ， 1 9 8 8 2 陈锡 民 混凝 土桥 梁 早期 裂缝 的 成 因 与防治 桥 梁 建设 2 0 0 0 ， ( 4 ) ： 6 2 6 4 3 A W B e e b y C r a c k i n g C o v e r a n d C o r r o s i o n o f R e i n f o r c e me n t o f C o n e r e t e I n t e r n a t i o n a 1 1 9 8 3 ， ( 5 ) ： 5 6 4 I欧文 ， E 辛顿 塑性 力学有 限元一理论 与应用 北 京： 兵器 工业 出版社 出版 ， 1 9 8 9 5 S h i l a n g X u ， R e i n h a r d t H WD e t e r m i n a t i o n o f D o u b l e K c r i t e r i o n f o r C r a c k P r o p a g a t i o n i n Q u a s i B r i t t l e F r a c t u r e ， P a r t： A n a l y t i c a l E v a l u - a t i n g a n d P r a c t i a l Me a s u ri n g Me t h i o d s for T h r e e P o i n t B e n d i n g No t c h e d B e a m s J 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 6 2 0 业 业船船 e e 业业业业 业 e 业业业业业业业 业业业业业业 e业 业业 e 业业业业业业 e 业业业业业业业 ( 上接第 1 6页) 人货 电梯安装 、 塔吊安装 、 临时塔安 装等几个部分。临时塔高度应满足中跨拱肋合龙 段安装的高度要求 ， 同时考虑缆索吊起吊时 自身垂 度。主跨缆索 吊吨位根据 最大节段按 1 8 0吨进行 设计 。 扣索法悬臂拼装施工工序： 吊装前准备工作一 构件运输 和定位一 吊装施工 ( 连接 吊具 、 起 驳 、 提 升 、 拱肋就位调整 、 测量复核定位) 扣索配合钢箱拱 节段拼装进行挂索 、 张拉 、 锚 固、 凋索 、 控制 。其 自身施工流程是下料一挂索一 张拉一调索一斜拉索防护一调索一拆索 。 5 4 水平拉索安装及张拉 系杆拱部分水平拉索设置在桥面以上 ， 而且是 在桥面钢箱梁安装之间先安装并分级张拉 。为了 系杆拱水平拉索的顺利安装 ， 首先应在安装前施工 猫道 。猫道由数根 6钢丝绳 、 走道板 、 扶手等组 成 ， 根据系杆拱水平拉索的位置及形式合理安排猫 道的宽度和高度 ， 猫道 两端 固定 在主墩三角 钢架 上 。由于主墩之间跨度较 大， 为克服下 垂， 每隔一 段距离将猫道 吊挂在已经形成的拱肋上。 猫道施工时进行施工水域封航 ， 其施工方法与 缆索吊主索方法类似。猫道形成后， 在猫道上进行 系杆拱水平拉索安装 ， 安装使 用卷扬机牵引， 水平 拉索安装到位后根据设计指令分级张拉。 5 5 安装吊杆及钢箱梁 吊杆由船舶运输至现场 ， 使用卷扬机吊放安装 到位 。 钢箱梁在钢结构加工厂完成制作及预拼装 ， 使 用大吨位驳船运输 至现场施工水域。驳船抛锚精 确定位后 ， 使用缆索吊起吊， 平移后安装在 吊杆上 。 6 结 语 本桥建成后将 成为我省最 大的中承式钢箱拱 桥 ， 该桥的桥型充分体现现代 、 高科技 的建筑风格， 是已建卢浦大桥的技术延伸。 参 考文 献 ： 1 林 元培 等 上海 市 黄浦 将 卢 浦 大 桥 设 计 土 木 工 程 学 报 2 o 0 5 1 2 美 国公路桥梁设 计规范 ( AA S H T O 2 0 0 0 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 81 4 维普资讯 http:/