大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析及防治对策.pdf

第 3 6卷第3期 2 0 1 0年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 77 大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析 及防治对策 杜斌 ， 赵人达 ( 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 对国内外大跨度预应力混凝土连续刚构桥在施工和运营中出现的各种类型裂缝进行了详尽的成因分析 ， 包括腹板斜 裂缝、 底板横向裂缝、 底板纵向裂缝以及横隔板裂缝等典型裂缝。以最常见的箱梁腹板斜裂缝和底板裂缝为例， 通过力学分 析， 得到不使底板开裂的底板预应力钢束曲线半径、 钢束定位成折线产生的转角以及合龙段高差的合理范围， 提出了平衡每 根底板纵向预应力钢筋产生的径向力所用箍筋间距与单肢箍筋截面积的关系式 ； 从结构分析和竖向预应力短力筋的张拉工 艺两个方面进行了讨论， 指出竖向预应力的保证是关键 ， 而无粘结预应力技术将成为确保竖向短力筋预应力实施的有效措 施 。 关键词： 预应力混凝土； 箱梁桥； 连续刚构； 裂缝 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 7 7一 O 5 M e c h a n i s m a n a l y s i s a n d p r e c a u t i 0 n a r y m e a s u r e s f o r c r a c k i n g o f pr 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 bo x g i r d e r o f l o n g s p a n c o n t i n u o u s a n d r i g i d f r a me b r i d g e s DU Bi n ZHA0 Re n d a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P a r t i c u l a r a n a l y s i s o f a l l k i n d s o f c r a c k s f o r 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 b o x g i r d e r o f l o n g s p a n c o n t i n u o u s a n d ri gi d f r a me b ri d g e s i n c o n s t r u c t i o n a n d i n s e r v i c e l i f e o f O l l c o u n t r y T h e c r a c k s i n w e b， t h e c r a c k s i n b o s o m s l a b a n d t h e c r a c k s i n d i a p h r a g m a l e d i s c u s s e d T h r o u g h t h e me c h a n i c s a n a l y s i s b o t h t h e c u v e r a d i u s o f p r e s tr e s s e d s t r and a n d t h e c o r n e r i n o ri e n t a t i o n o f s tr and and t h e r ang e o f a a i t u d e w i t h r e a s o n i n n o c r a c k s i n b o R o m s l abs o f c o n t i n u o u s b o x girde r i n l o n g s p a n ri gi d f r a m e b ri d g e s a r e d e v e l o p e d A d v an c e t h e e x p r e s s i o n s b e t w e e n t h e a r e a s o f h o o p b a r s a n d t h e s p a c e i n h oo p s d u r i n g t h e t e n s i l e t o a v e r a g e e v e r y s t r an d i n b o t t o m s l ab Di s c uss the w e b c r a c kin g f r o m t wo a s p e c t s o f an aly s i s o f s t r u c t u r al a n d t e c h n i q u e s i n p r e s t r e s s i n g p r o c e d u r e s an d t h e v e r t i c a l p r e s tr e s s i n g a r e k e y p o i n t Th e t e c h n i q u e s o f u n bo n d e d t e n d o n s o n v e rti c al p r e s t r e s s i n g b e c o me s an e ff e c t i v e me t h o d s o f r e t a i - n i n g p r e s t r e s s i n g i n s h o u t t e n d o n s Ke y w o r d s ： p res t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； box g i rde r b ri d g e s ； c o n t i n u o u s r i gi d fr a me ； c r a c k O 引 言 近年来 ， 国内外大跨度预应力混凝 土连续刚构 箱梁在施工和营运过程中出现了一系列超过规范允 许值的开裂现象 ， 严重影响了结构的耐久性 ， 有的甚 至是无法正常使用 。文献 1 列举 了 4座 已建 成的 预应力混凝土连续箱形梁桥出现部分裂缝的情况， 主要有箱梁顶板和底板 的纵 向裂缝、 腹板的斜裂缝 ， 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 2 1 5 作者简介： 杜斌( 1 9 8 2一) ， 男， 贵州普安人， 工学硕士， 博士研究 生。 主要从事大跨度桥梁施工控制及既有桥梁健康监测方面的研究。 E ma i l ： b i n d u 1 9 8 2 1 2 6 c o m 这些裂缝的性质大部分为受力裂缝， 且宽度较大； 文 献 2 - 3 列举了箱梁桥腹板开裂的事例； 文献 4 也 列举了连续刚构在张拉底板预应力筋和成桥营运时 发生底板崩裂和底板纵向裂缝事故。本文以最常见 的箱梁腹板裂缝和底板裂缝为例 ， 通过力学分析 ， 得 到不使底板开裂的底板预应力钢束曲线半径、 钢束 定位成折线产生 的转角 以及合 龙段高差 的合理 范 围 ， 提出了平衡每根底板纵 向预应力钢筋产生的径 向力所用箍筋间距与单肢箍筋截面积的关系式； 最 后， 从设计和施工两个方面对如何有效地控制腹板 裂缝进行了讨论， 指出竖向预应力的保证是关键， 而 无粘结预应力技术将成为确保竖向短力筋预应力实 施的有效措施 。 7 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 1 预 应 力混 凝 土连 续 刚构 常见 典 型 裂缝 1 1 腹板斜裂缝 腹板斜裂缝也称剪切裂缝， 主要出现在两个区 域， 即距边跨支点一定范围内腹板内外出现与水平 呈 2 5 。 一 5 O 。 左右的斜裂缝 ， 以及中跨 L 4附近区域 ( 为中跨跨径) 。其主要形态如图 1 所示。 图 1 腹板斜裂缝示意 F i g 1 Pa r a g r a p h o f c r a c k s i n we b 1 2 底板横 向裂缝 底板横向裂缝即弯 曲裂缝 ， 也称垂直裂缝 ， 是混 凝土梁受到过大弯矩作用时产生 的裂缝 ， 出现在弯 矩最大截面的混凝土受拉 区。随着裂缝的发展 ， 可 延伸至腹板区域， 通常出现于运营期间。其主要分 布形态如图2所示。 图 2 底板横 向裂缝示意 F i g 2 P a ra g r a p h o f t r a n s v e r s e c r a c ks i n s l a b 1 3底板纵向裂缝 底板纵向裂缝主要发生于中跨底板合龙束张拉 过程中或在张拉完成后出现。其分布形态如图 3所 示 。 图 3 底 板纵 向裂缝示意 Fig 3 P a r a g r a p h o f p o r t r a i t c r a c k s i n s l a b 1 4 横隔板裂缝 箱梁裂缝主要为箱梁桥横隔板孔洞周围放射型 裂缝和孔洞之间的竖向裂缝 ， 主要是 由于孔洞应力 集中产生的。其主要分布形态如图 4所示 。 图 4 横隔板裂缝示意 Fi g 4 Pa r a g r a p h o f c r a c ks i n d i a p h ra g m 2 底板裂缝成因分析及其防治 2 1 底板预应力筋产生径向力和集中力的计算 根据文献 5 规定： 按正常使用极限状态设计 时， 预应力应作为荷载计算其效应。当张拉底板预 应力筋时， 必然使截面产生与使用荷载作用方向相 同的附加荷载效应( 图5 ) ， 纵向预应力筋束在张拉 过程中会产生对腹板或底板混凝土 的径向压力( 图 5 ) 。下面， 来分析连续刚构桥按桥的立面线形布置 的预应力筋对底板产生的效应。 图 5 力筋张拉引起的径 向力示意 F i g 5 Pa ra g r a p h o f ra d i a l f o r c e in t e n d o ns 取微段预应力筋进行分析， 其受力情况如图6 所示 ， 若划分为无 限小 ， 则 曲线可近似按 圆弧线处 理 ， 径向力 q ( x )近似相等 ， 在 s 轴上列力 的平衡 方程 ： p 。 s i n 0+ s i n 0=9 ( ) ( 0+ ) ( 1 ) 图 6微段 力筋径 向力分析示意 Fi g 6 Pa ra g r a p h o f ra d i a l f o r c e a n a l y s i s i n s t ra n d s 一 般情况 0 很小 ， 近似取 s i n 0 0， 则上式简化 为 2 N 。 。 0=2 q ( ) 鲫 得 q ( x )=N p R ( 2 ) 从( 2 ) 式可以得到， 径向力 q ( x ) 随变截面箱梁 底板 的预应力筋曲率半径的增大而减小 ； 若刚构桥 的箱梁高度以及箱梁底板厚度按抛物线变化， 底板 预应力筋按底板 的形状设计为抛物线线形 ， 且抛物 2 0 1 0 N o 3 杜斌， 等： 大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析及防治对策 7 9 Y = 。 ， 经过( 2 ， h ) ， 得， ， = h f 竽)， 根 据半 径 公 式 = ， ， ， = ( 孚 ) ， 代 人 式 ( 2 ) ，得 g c ， N p e = e 3 h f ) 6 ( b 一 1 ) F 图7 合龙段施工示意 Fi g 7 Pa r ag r a ph o f c l o s ur e s eg me nt 由式( 4 ) 可知， 由合龙段两端存在高差或钢束 定位成折线而引起的集 中力 ， 随转角 0的增大而增 大， 所以， 要尽可能减小合龙段两端高差和钢束定位 成折线引起的转角 。 2 3 底板预应力筋 曲线半径 、 合龙段 的高差、 钢束 定位成折线产生转角的合理范围 假设由预应力筋下崩力引起的裂缝与底板法线 呈 角 ， 裂缝首先在 A点出现， 而后 ， 由于裂缝尖端 的应力集 中， 裂缝 即沿与主拉应力垂直方向迅速开 展， 由此引起底板混凝土大片崩裂而破坏， 考虑便于 工程应用， 可假定裂缝从 A点出发沿与底板平面呈 4 5 。 角方向开展， 如图4以单位长度底板为研究对 象， 取波纹管下部混凝土作为脱离体， 如图 8右所 示 ， 作 用 于脱 离 体 的力 有 ： 预 应 力 钢束 的下 崩力 F ( x ) ， 并假设斜切面上仅有主拉应力 ， 其平均值为 。 根据脱离体的 F =0， 可计算出斜切面平均 主拉应力为 O - ( 6 ) o 同 ) 圈 8 利 柬 对 厩 敬 局 邵 1 乍用 党 力 分 析 Fi g 8 Pa r a g r a p h o f t h e f o r c e s t o b o t t o m s l a b = = ( 7 ) 在预应力钢束的下崩力作用下不产生崩裂裂缝 的条件可表达为 一 器 等 ( 8 ) 2 3 1 下崩 力由底板 曲线预应力筋曲率 引起 此时， F ( ) ， 得到在预应力钢束的下 崩力作用下不产生崩裂裂缝的条件为 ) ( 9 ) 实际上， 只需曲线的最小曲率半径满足( 9 ) 式条件 即可 。 ) m i y ( 1 0 ) 若底板曲线预应力筋的形状 为抛物线 。 则 y蒜 、Il-，一b 0 一 一 b 0 一 、 ， 一 1 6一 b 一 一 、IlI，一 ，一 2 ， II一 一 一 四川建筑科学研究 第 3 6卷 式 中 。 为抛物线在跨中的起点横坐标。 2 3 2 若下崩力 由合龙段的 高差、 钢束 定位成折 线产生转角引起 此时 V ( x )= D 。 0， 得到在预应力钢束产生的 集中力作用下不产生崩裂裂缝的条件为 ： 2 t c o s 3 f ,0 ( 1 2 ) 一 ( 1 2) p e f ( 1 3 ) 式中 y 抗 裂安全系数， 建议取 为 1 1 5 1 25； 混凝土抗拉强度标准值； j 斜切面上的峰值拉 应力与平 均应 力 之比， 可依据试验资料确定； 破坏面平均拉应力； 波纹管下方混凝土厚度 ； 裂缝从 A点出发沿与底板法线方向 开展 的角度 ， 建议取 4 5 。 ； 合龙段两端的高差； Z 合龙段长度。 2 4 箍筋的布置 在成桥运营之前， 当钢束曲率作用的径向力与 箱梁荷载应力相叠加时 ， 相应 的弯曲应力可能 比单 独的恒载产生的应力大 3 4 倍， 同时可能还存在钢 束线形的偏位而使受力更加不利， 严重时， 集中力可 导致腹板混凝土局部剥落或崩裂， 所以， 预应力束径 向力必须由底板的箍筋来承受。如果底板内箍筋应 力不超限， 则底板上下层钢筋 网不会被撕开 ； 反之 ， 底板就会被撕开， 出现预应力筋上层钢筋网及混凝 土完好而下层向下崩出的现象。在贵州某公路一座 大桥主跨合龙时就发生过底板混凝土崩脱， 因此， 必 须进行径向防崩箍筋的设计。全桥合龙后， 在汽车、 温度及混凝土的收缩、 徐变作用下， 中跨的跨中处将 产生较大的正弯曲和跨中下挠， 进一步加大了底板 预应力筋的下崩作用 。因此 ， 设计 中对底板箍筋 和 跨中底板的局部刚度， 应留有足够的安全储备。 假设箍筋的间距为 s ， 抗拉设计强度值为 ， 图9 箍筋的布置示意 F i g 9 P a r a g r a p h o f c o l l o c a t i o n i n h o o p s 每单肢箍筋截面面积为 A 安全储备系数为 ， 每 束预应力筋的有效预应力为 n。 ， 取 f 段进行分析， 由 F =0得 2 l A I=2 r N , s i n O ( 1 4 ) 得箍筋间距 Is 与单肢箍筋截面积A 的关系为 s v = 丽 1 8 , 1 ) 1， ， n， ， 若曲线预应力筋按抛物线布置， 则 s 啪= ( + ( ) ) = b h ( S v：f B v lA l ( 1 6 ) 7 s 志 并且箍筋的直径和间距要符合文献 5 第 9 3 1 5 条( 具有曲线形的梁腹， 近曲面的纵向受拉钢 筋应由箍筋固定 ， 箍筋间距不应大于所箍 主钢筋直 径的 l O倍 ， 箍钢筋直径不宜小于 8 m m) 的规定。文 献 1 建议 ， 合龙段底板箍筋间距采用 2 0 e m， 其余 段采用 2 53 0 e m， 且因为底板 力筋产生的径 向力 在力筋顶部最大 ， 纵向箍筋 的间距应从合龙段向开 始逐渐增大。 3腹板裂缝成因分析及其防治 在箱梁结构中 ， 带有共性 的问题是腹板 的斜 向 裂缝 ， 其主要是 由于主拉应力过大引起的。下面， 从 结构分析层面、 竖向预应力设置方 面对腹板斜裂缝 成因进行分析并研究其对策。 3 1 结构分析方面 在 主拉应力的计算过程 中， 由于计算程序 的局 限性 ， 设计人员通 常对主拉应力 的影响因素考虑不 够全面， 仅考虑荷载的纵向效应 ， 而忽略了荷载的横 向效应 。规范中， 主拉应力的计算公式为 ： 毕一 ( 毕) z + r ：( 1 ) tp = 一 一 一 + r l 式中 为预加力和使用荷载在计算 主拉应力点 产生的 昆 凝土法向应力； 。 由于竖向预应力钢筋引 起的混凝土竖向压应力。就计算主拉应力而言， o r 。 还应该扣除 由于恒载、 横 向预应力 、 活载偏心、 箱梁 内外温差值等在箱梁腹板截面产生的竖向拉应力 ，通过计算分析， 箱梁的横向荷载对腹板产生的 效应是比较大的， 且通过不同的荷载组合腹板内外 侧的拉应力交替出现， 导致了腹板斜裂缝的产生。 通常采用的杆系桥梁综合程序 中纵向分析 中无 法考虑荷载对箱梁结构的横向及竖向效应， 既不能 杜斌 ， 等： 大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析及防治对策 8 l 考虑竖向预应力 的效应 ， 也无法计人恒荷载、 横向预 应力 、 活载偏心、 箱梁 内外侧温度差对腹板受力的影 响， 即纵向计算中主拉应力的计算公式变化为 ： 一 ( ) + 丁 2 ( 1 8 ) tp 一 + 丁 L 设计中， 一方面采用纵 向预应力钢束下弯 ， 使得 纵向分析中的主拉应力小 于 1 MP a ， 另一方 面设 置 竖 向预应力克服使用荷载产生的 并 留有一定 的安全储备， 使得最终截面的主拉应力小于 1 M P a 。 显而易见， 竖向预应力的设置十分必要， 而且必须采 取措施 ， 保证竖向预应力 的有效性 。 3 2 竖向预应力短筋的张拉工艺发展趋势 由上分析可知， 在采用纵向预应力下弯的前提 下 ， 有必要设 置竖 向预应力 ， 而在 工程 中， 大跨 P C 箱形梁通常采用精轧螺纹 钢筋作 为竖 向预应 力短 束， 其锚头损失太大， 施工中也不易正确控制预张 力。无论竖 向筋是 长 ( 2 0 m 以上 ) 还是短 ( 3 m 以 下) ， 都存在竖向预应力 的双控张拉和压浆 问题 ： 太 长压浆困难 ， 太短双控 困难 。文献 6 指出 ， 由于张 拉的力筋回缩及松弛可能使其实际预应力只有设计 预应力的 3 4左右。能否采取有效 的措施 ， 克服短 束预应力损失较为严重 的现状 ， 也是众 多技术人员 所关心的问题 。于 1 9 9 8年 1 2月 1 0日通过竣工验 收的汉川汉江公路大桥 ， 其主桥上部结构采用三 向 预应力混凝土变截 面箱形连续梁桥 ， 孔径布置 为 3 孔( 8 9+ 1 4 2+8 9 ) m， 腹板采用了无粘结竖向预应力 技术 ， 普遍应用于全桥的施工工艺是 ： 先将竖向筋表 面涂刷除锈防锈剂 ， 再均匀涂刷一层较厚 的黄油防 腐 ， 用 4 , 2 7 IT I I n聚乙烯塑料管两端灌满 2 0 c m黄油 后 ， 穿套人竖向筋 ， 安装上下锚具 ， 定位后 ， 浇筑混凝 土， 养护和张拉。克服了以往类似桥梁施工普遍存 在的竖筋有效防腐 防锈 问题 ， 为推广应用无 粘结竖 向预应力技术提供 了有益的经验 。 日本东海北陆高速公路开明高架桥为 日本第一 座全体外预应力混凝土连续刚构桥梁 ， 在体外力筋 的防锈处理方面也做 了改进 ， 即不采用 以往 的聚 乙 烯保护管加灌水泥浆 ， 而采用 了环氧树脂涂层钢绞 线 ， 不设保护管 J 。随着预应力筋 防腐工艺 的不断 改进， 无论是采用体外预应力技术还是无粘结技术， 均会在大跨 P C箱梁中逐步地运用， 也须满足易于 安装， 检查、 维修易于接近， 必要时可更换等条件。 这就对桥梁运营阶段 的实时监控 提出 了更高 的要 求 ， 一旦发现关键截面 的竖向预应力筋提供的有效 预应力不足 ， 就可进行加固和补强， 避免桥梁损伤程 度进一步加剧。随着智能型传感器的普遍采用， 其 价格不断地下降 ， 对桥梁运营阶段进行实时监控 ， 也 将成为可能。由此可见 ， 无粘结竖向预应力技术 ， 将 会作为一种替代 目前采用精轧螺纹钢筋提供竖向预 应力的发展方向， 但尚需解决好其疲劳特性的研究。 4 结 论 对大跨度预应力混凝土连续 刚构箱梁桥典型裂 缝产生 的原 因分析及其 防治措施 ， 做 了尝试性的探 讨， 针对最常见的箱梁腹板裂缝和底板裂缝做了详 细的分析。对于底板裂缝 ， 通过力学分析 ， 得到不使 底板开裂的底板预应力钢束曲线半径公式、 钢束定 位成折线产生的转角以及合龙段高差 的合理范围， 提出了平衡每根底板纵 向预应力钢筋产生的径向力 所用箍筋 间距与单肢箍筋截面积的关系式 ； 对于腹 板裂缝 ， 从结构分析和竖 向预应力短筋 的张拉工艺 两个方面进行了讨论 ， 指 出竖向预应力 的保证是关 键 ， 而无粘结预应力技术将成为确保竖 向短力筋预 应力实施的有效措施 。 参 考 文 献 ： 1 李坚 我国预应力混凝土连续梁桥的发展与工程实践 J 城市道桥与防洪 ， 2 0 0 1 ， ( 1 )： 2 1 - 2 6 2 彭卫 ， 邢鸿燕 ， 柯善刚 P C连续箱梁桥裂缝控 制研究 J 浙 江工业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 1 ) ： 2 2 - 2 7 3 陆洲导， 陈永秀 某钢筋混凝土变截面连续箱梁桥腹板裂缝原 因分析及处 理方法 J 工业建筑 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 7 1 - 7 3 4 潘钻峰， 吕志涛 大跨度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 5 J T G I ) 6 22 0 0 4公路钢筋混凝土及 预应力混 凝土桥 涵设 计规 范 S 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 4 6 ( 美) 波多尔尼， ( 法) 米勒尔 万国朝， 黄邦本， 译 预应力混凝 土桥梁分段施工和设计 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 1 9 8 6 ： 5 6 5 8 7 何雨微， 陈光新 ， 刘忠 无粘结竖向预应力在大跨连续梁桥 上 的应用与研究 J 重庆交通学院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 9 - 2 1 8 余家俭 ， 编译 体外预应力混凝土连续刚构桥一日本东海北陆 高速公路开明高架桥的设计 J 1 国外桥梁 1 9 9 9 。 ( 2) ： 4 1 _ 4 4