预应力混凝土连续箱梁桥施工中腹板斜裂缝分析.pdf

2 4 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 2 4 0 3 预应 力混凝土连续箱梁桥施工 中腹板斜裂缝分析 郭 凡 ， 杨 永清 ， 刘国军 ( 西南交通大学 土木工程学 院 ， 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 白水 冲特 大桥 箱梁在 悬臂施 工过 程 中 出现腹 板斜 裂缝 ， 通过 对裂 缝 出现位 置 、 走 向和形 态的 分析 ， 认为裂缝并非受力裂缝。混凝土应变测试结果表明， 张拉钢束 引起 的垂直钢绞线的混凝土横向膨胀超 过极 限拉应 变， 裂缝产 生 的主 因是 设计 中对锚 固区局部 应 力考 虑 不足 ， 经锚 固端一 定 范围增设 钢筋 即可 抑制开裂。该桥裂缝的分析和处理为同类问题提供参考 ， 同时也说 明， 设计、 施工等环节 中若能周全考 虑 ， 很 多裂 缝 可以避免 。 某些 裂缝 经 适 当处理 ， 亦不会 对结构 安全 和使 用性 能造成 大的影 响 。 关键词 ： 连 续箱 梁桥 预应 力混 凝土 腹板 斜裂缝 局 部应 力 中图分 类 号 ： U 4 4 8 2 1 5 ；U 4 4 8 3 5文献标 识码 ： B 全预应 力 混 凝 土 结 构 的 P C箱 梁 桥 ， 在 短 期 效 应 组合作用下 ， 构件受拉边缘不允许出现拉应力， 更不允 许混凝土开裂 ； 即使部分预应力混凝土构件 ， 允许在短 期效应组合作用下控制截面混凝土受拉边缘 出现拉应 力或 开裂 ， 拉 应力 或裂 缝均 应 限制在较 低 的水平 ， 且在 永久 效应组 合作 用下 不 出现拉应 力 ， 卸 载后 裂缝 闭合 。 但工程实践 中， 大跨预应力混凝土连续箱梁桥 ， 普遍出 现腹 板斜裂 缝 和跨 中底板 横 向裂缝 。 P C箱梁桥裂缝按其产生的原因， 大致分为在静 载 、 动载及 次应 力下 产 生 的受 力 裂 缝 ， 如 弯 曲裂 缝 、 剪 切裂缝和局部 应力裂缝等； 由温度 变化、 混凝土收 缩、 基础变位等引起的变形裂缝 。可见 ， 裂缝 的成 因多 而复 杂 ， 且 相互 影响 ， 增加 了裂缝 成 因分析 的难度 。但 每条裂缝均可根据出现的位置、 走向和形态 ， 并辅 以计 算分 析 ， 判 断其 产生 的主 要原 因 。但 箱 梁 开 裂 一般 出现 在运 营阶段 ， 悬 臂 施 工过 程 中箱 梁 发生 腹 板 斜裂 缝不多见。对于施工 中出现的腹板斜裂缝 ， 若不能找 出原 因予 以补 救 ， 必 然对成 桥及 远期 结构 受力状 态 、 变 形 和使用 安全 带来 隐患 。本文 结合 白水 冲特大桥 悬臂 施工 中腹 板开 裂情况 ， 分 析其原 因 ， 为设计 和施 工提供 参考 。 1 工 程 概 况 白水 冲特 大桥 ， 主桥 为 ( 8 5+21 5 0+8 5 ) i n预应 力混 凝 土 4跨 连续 刚构 ， 桥 面净 宽为 2 5 0 I n ( 21 1 5 I n+ 1 0 I 1 1 分隔带 + 2 0 5 IT I 防撞栏杆 ) 。主梁采用 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 7 - 1 5： 修回 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 2 0 作者简介： 郭凡( 1 9 8 l 一 ) ， 男， 山东日 照人， 博士研究生。 单箱单室三向预应力体系； 3个主墩为复合式桥墩， 最 低 墩高 7 4 4 m， 最 大墩 高 1 0 5 0 I n ， 墩 顶 7 5 0 IT I 范 围 为双柱 式薄壁 墩 身 ， 双 薄壁墩 中间设一道 横 向联 系梁 ， 双薄壁 墩下 采用 3 0 n l 的混凝 土刚 性薄壁 箱墩 ， 增加 桥 梁 的稳 定 性 。 主桥 上 部 构 造 及 现 浇 桥 面 板 采 用 C 5 0 混凝 土 ， 桥 墩 采 用 C 4 0混 凝 土， 预 应 力 钢 筋 采 用 A S T MA 4 1 6 9 7 2 7 0级钢 绞线 。设计 荷载 等级 汽车一 超 2 0级 ， 挂车一 1 2 0级 。大 桥 轴 线 平 面 处 于 直 线 、 缓 和 曲线和圆曲线上 ， 其 中直线段长 1 0 6 n l ， 缓和曲线 1 4 4 in ， 其 余为 圆 曲线 ， 水 平 桥 梁线 型 最 大 偏 移 6 5 i n 。1 5 墩处 于直线段 上 ， 1 6 墩 处 于 缓 和 曲线 段上 ， 1 7 、 1 8 墩 处于 圆 随线 段 上 ， 圆 曲线 半径 9 0 0 n l 。该 桥特 点 不 但 是 一平 弯桥 ， 且有 较 大纵 坡 ， 超 高 变 化较 大 ， 其 结 构 行 为较常规直线桥复杂。 在 主梁 悬臂 施工 1 节段 时 ， 负 弯矩 预 应 力索 张 拉 后腹板底部出现顺预应力钢筋方 向延伸裂缝 ， 对梁体 混凝 土应变 的测 量数 据未见 异常 。 1 1 原 因分 析 腹板斜 裂缝 属 于剪 切 裂缝 ， 分 为腹 剪 裂 缝 和弯 剪 裂缝 ， 如 图 1所示 。其 中， 腹 剪裂 缝 最 为 常见 ， 由主 拉 应力 引起 ， 一般 发生 在剪应 力最 大支 点附近 ， 与梁 轴线 呈 2 5 。 5 0 。 走 向， 并在荷 载反复作用下 ， 不断 向受压 区发展， 由于箱梁上下缘布置 的纵向预应力束抑制 了 斜裂缝发展 ， 腹剪裂缝呈两头窄中间宽的形态。弯剪 裂缝是由斜截面抗弯能力足产生的主拉应力而引起， 图 1 腹 板斜 裂缝 2 0 1 0年第 1 1期 预应力混凝土连续箱梁桥施工中腹板斜裂缝分析 一 般发生在弯矩和剪力均较大的 1 4主跨 附近和 1 2 边跨附近， 与梁轴线呈 3 0 。 6 0 。 走 向 ， 与弯 曲裂缝相 似 ， 由箱底 自下 而上 发展 ， 呈下 宽上 窄形 态 。斜裂缝 的 主要 成 因有 ： 竖 向预 应力 钢筋 或 普 通 构 造 钢筋 配 置 不 够 、 预应力束弯起过早或未设弯起束引起混凝土主拉 应力 过大 ； 纵 向 、 竖 向有效 预应力 不 足等 。 通过裂 缝走 向 的分 析 可 以判 定 ， 裂缝 产 生 并 非由于结构主体受力产生 。为了克服结构主体受力产 生的主拉应力 ， 腹板 中钢绞线布置尽量靠近主拉应力 线 的轨迹 ， 如果 开裂是 由于结构 主体 受力 产生 ， 裂缝 走 向应 该是垂 直 于预应 力 钢 绞 线 的方 向 ， 而 出现 的裂 缝 顺 着 钢绞线方 向 ， 与主 压应力 方 向接 近垂 直 ， 如 图 2所 示 。因此 ， 裂 缝 的产生 原 因可 以认 为是 由于 锚 下 压 应 力 引起 混凝 土顺筋 开裂 。由于预 应力 在锚 垫板处 施 加 后 ， 需 要一段 距 离 来 传 递 预 压 应 力 ， 在 这 个 传 递 过 程 中 ， 混凝 土处 于局部 受 压状态 ， 混 凝土将 产 生垂直 于 预 应 力钢 绞线 的横 向膨 胀 ， 如 果 混凝 土 横 向膨 胀 应 变超 过 混凝 土极 限拉应 变 ， 将 产生 混凝 土顺 筋 开裂 。 图 2 结构 主体受力分析示 意 1 2应变测 试 为 了掌 握在 预应 力 钢 筋 张拉 过 程 中 ， 混 凝 土 在 垂 直于 预应力 钢筋方 向的横 向膨胀 应变 规律 。对其 中一 节 段腹 板位 置 ， 垂直 于 钢 绞线 方 向 的混 凝 土横 向膨 胀 应变进行监测。混凝土应变计 的布置如 图3所示。 l 7 墩 一 一 一一 _ 、_ 、_ 、 。 。 、 1 0 3 1 0 严 2 -； 丁 1 , 亚 - - f 1 2 0 1 2 0 2 一 一一! 墨 10 1 ： l 选 201 2 02 。 。 。 。 一一一 一一一 一一 图 3 混凝 土应 变计布置 ( 腹板展开 ) ( 单位 ： c m) 张拉 预应 力钢 绞 线 的 同 时 ， 对 应 变元 件 进 行 同 步 监测 ， 测试顺序如下 ， 张拉前 ， 测量张拉前应变传感 器初 始读 数 ， 检查 是 否 存 在 初 始 裂 缝 ； 依 次 张 拉 到 张拉 控制 应力 的 3 0 ， 6 0 ， 1 0 0 ， 并 稳 定 3 mi n后 ， 测量 混凝 土应 变传 感器 读数 ， 检查 是否 出现 裂缝 。 测试数据及计算所得的混凝土应变增量如表 1 所 示 ( 测 点 2 0 2破坏 ) ； 张拉 力 与混 凝 土 微应 变 的关 系如 图 4所 示 。 1 3 测试 结果分 析 及处理 在 张拉 预应 力 钢筋 时 ， 混 凝 土产 生 垂 直 于 预应 力 钢绞线 的横 向膨 胀 ， 如 果 膨胀 变 形 超 过 混凝 土 的极 限 拉 应变 ， 混凝 土将 产 生 平行 于预 应 力 钢 绞 线 方 向 的裂 缝 。主梁混凝土强度等级为 C 5 0， 由 J T G D 6 2 2 0 0 4可 知 ， C 5 0混凝土的抗 拉强度标准值 为 2 6 5 M P a ， 弹性 模 量 为 3 4 51 0 MP a ， 由此 计 算 得 C 5 0混 凝 土 开 裂 表 1混凝土应变传感器读数 1 0“ 2 6 铁道建筑 毯 强 测试时张拉力与控制张拉力的比值 图 4张拉力与混凝土微应变关系图 应 变为 7 6 8 X 1 0， 即 7 7 X 1 0。从 表 1看 出 ， 点 1 0 2 ( 张拉前后微应变增量为 2 0 11 0 ) 、 点 1 0 1 ( 张拉前 后 微应 变增量 为 1 3 31 0 ) 以及 点 2 0 1 ( 张 拉前 后微 应 变增 量 为 9 1 x 1 0 ) 都 超 过 了这一 限值 ， 均 有 开裂 可能。此外 ， 对比图 4还可 以发现 ， 对于点 1 0 2 ， 其张 拉 力与微 应变 增量 已 经表 现 出强 烈 的非 线 性关 系 ， 对 于 点 1 0 1 ， 其 张 拉力 与微 应 变 增 量 也 表 现 出 一定 的非 线性关系。而其它点的张拉力与微应变增量基本上还 是 一个线 性关 系 。 由此 认 为 ， 点 1 0 1和 1 0 2对 应 位置 处 的混凝 土在 张拉 完毕后 开裂 的可 能性极 大 。根据 以 上分析 ， 可以推断在该施工节段 图 1 所示靠 l 7 墩下游 侧 的腹板 开裂 可 能性 极 大 ( 对应 点 1 0 1和 1 0 2 ) ， 而靠 1 5 墩上游侧腹板也存在开裂可能( 对应点 2 0 1 ) 。 2 裂缝 的处理 根 据对该 桥裂 缝成 因分 析 ， 只要 在 下 弯束 锚 端 一 定 距离增 设加 强钢 筋 即可 。处理后 的节段 张拉 前及 张 拉 后均未 再发 现裂 缝 。 由此 可 以得 出 ： 负 弯 矩 预应 力索张拉后腹板底部的微裂缝不是结构主体受力产生 的 ； 微 裂缝 的产 生 是 局 部 应 力 引 起 的 ( 实测 的微 应 变最大值达到了 2 0 11 0 ， 比 C 5 0混凝土开裂应变 允许值 7 71 0 超 出了近 3倍 ) ； 在底板钢束张拉 端锚具 1 2 5 m、 顶板钢束 张拉端锚具 2 m范围 内， 用 增设分布钢筋笼和钢筋网的方法可以有效控制该区域 超 出的局部应力和应变 ， 抑制微裂缝的产生。 3 结 论 目前 ， P C箱梁 桥开 裂 是 普 遍 存 在 的 现象 ， 本 文所 研究 P C箱梁桥的腹板斜裂缝是 由于设计中对局部应 力考虑不足造成的， 经钢束锚 固区一定范围内加强普 通构造钢筋后得 以解决 ， 裂缝对结构的承载能力 和使 用功能不会产生大 的影 响。该 桥裂缝成 因的分析说 明， P C箱梁桥裂缝 的产生源于设计、 施工等方 面的不 足， 箱梁桥设计 中若能充 分考虑预应 力筋和构造钢筋 布置 、 混凝土收缩、 温度和锚 固区局部应力等因素 ， 并 在施 工 中严 格控 制 ， 可在 一 定 程 度 上避 免 很 多裂 缝 的 产生或降低裂缝病害； 出现裂缝也并不一定危及结构 工作 状态 和承载 能力 ， 根据 具体 出现 的位 置 、 走 向和形 态 ， 便 可判 别其 危害程 度 ， 进而作 出恰 当处 理 。 参 考 文 献 1 顾凯锋 ， 彭 卫 预应 力 混凝土 连续 箱梁 桥腹板 斜裂 缝研究 J 公路 ， 2 0 0 4 ( 7 ) ： 3 5 3 8 2 楼庄鸿 论预应力混凝土梁桥的裂缝 J 公路交通科技， 2 0 0 0( 1 2 )： 4 9 5 2 3 张志耕 ， 王荣辉 预应力 混凝 土连续 刚构箱梁桥裂缝病 害分 析 J 自然灾害学报， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 2 ) ： 1 3 7 1 4 2 4 王钧利， 马春燕 预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与对策 J 工程力学 ， 2 0 0 2 ( 增 刊) ： 7 7 1 7 7 4 5 胡巧玲 装 配 式 预应 力混 凝 土 空心 板 梁加 固方 式 的探 讨 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 2 7 2 8 ( 责任 审编 王红)