预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究.pdf

张开银,等:预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:张开银(),男,湖北武汉人,教授;张楚(),男,湖北武汉人,硕士研究生在读预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究张开银,张楚(武汉理工大学 船海与能源动力工程学院,湖北 武汉 )摘要:本文针对大跨度预应力混凝土连续箱梁的裂缝病害,结合主跨为 m的三跨一联三向预应力混凝土连续刚构桥,通过建立该桥跨中节段M I D A SF E A有限元模型,考虑在组合荷载作用下,对其顶板横向应力进行分析,发现节段收缩差是引起顶板顺桥向裂缝的主要因素之一.通过加强该桥的局部横向钢筋,裂缝扩展宽度未超出规范规定,并且对其腹板、底板以及合龙段提出了裂缝控制措施,可为以后相关桥型的裂缝控制提供一定的参考依据.关键词:连续刚构桥;箱梁;裂缝;数值模拟中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言随着P C连续梁桥/连续刚构桥广泛应用,随之而来的梁体开裂问题也就越来越多,已成为制约连续刚构桥发展的一个主要问题 .在设计和施工过程中考虑不周就很容易导致混凝土构件的开裂,裂缝的形式主要表现为纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝,其具体位置则出现在箱梁的顶板、底板、腹板及齿板等地方.唐小兵等利用AN S Y S软件分析了P C连续刚构桥施工过程中箱梁腹板沿着波纹管方向产生的斜裂缝,认为腹板竖弯纵向预应力、腹板竖向预应力和腹板厚度对腹板斜裂缝的产生比较敏感.涂健等对一座P C连续梁桥建立有限元模型,分析了温差与收缩差两种因素对箱梁顶板应力的影响,结果表明,顶板的温差荷载对其下缘的拉应力影响较大.邓季坤等通过建立P C连续刚构桥有限元模型,认为产生裂缝的主要原因是预应力张拉滞后以及预应力张拉时混凝土龄期不够.为了保证桥梁的施工质量,本文使用M I D A SF E A建立有限元模型,分析在组合荷载作用下箱梁裂缝产生的原因,并给出了裂缝控制措施.工程概况大跨径预应力混凝土连续梁桥/连续刚构桥跨中挠度的控制,其本质是对混凝土桥梁箱梁有效预应力的设计,以避免混凝土箱梁结构性裂缝的产生.目标工程为位于吉林省柳河县凉水河镇的凉水特大桥(主桥上构为 m m m三跨一联三向预应力混凝土连续箱梁).半幅桥宽 m(护栏)m(行车道)m(护栏)m,桥面单向横坡为.主桥混凝土箱梁立面改造图如图所示.图主桥混凝土箱梁立面改造图控制目标为了保证凉水特大桥主桥施工质量,尽量避免或减少混凝土箱梁开裂以及由此所产生的箱梁下挠,降低后期养护维修费用,在分析与总结已建类似桥梁存在问题的基础上,从设计与施工等方面,提出大跨径预应力混凝土连续梁箱梁桥裂缝控制的措施.尤其是在桥梁设计阶段,采用、吸纳一些最新的设计理论与研究成果,从而避免新建大跨径混凝土预应力桥梁产生类似的质量问题,从设计技术层面确保工程质量和结构安全.裂缝主要控制目标包括:()顶板纵向裂缝控制;()腹板顺管道方向裂缝控制;()底板纵向裂缝控制;()箱梁底板崩裂控制;()合龙段纵横向裂缝控制.运用结构有限元分析软件,选取典型的混凝土箱梁节段为研究对象,分析箱梁顶板纵向裂缝、底板纵向裂缝、腹板顺管道方向裂缝及合龙段纵横向裂缝的影响因素,并从设计和施工两个方面提出控制这些裂缝的具体措施.建筑结构JIANZHUJIEGOU张开银,等:预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究 工程与建设 年第 卷第期数值模拟及裂缝控制 顶板纵向裂缝控制绝大多数混凝土箱梁顶板下缘均会出现沿顺桥向的纵向裂缝.该纵向裂缝通常沿桥全长分布,裂缝宽度较小(约为 mm),施工或运营阶段均会出现.裂缝一般不会在顶板中心出现,而是对称分布在顶板的/处,横向预应力对裂缝位置的影响很小.该类裂缝与恒载、顶板局部温度、横向预应力布置、活载、节段间收缩差等有关.计算模型选取混凝土箱梁中跨跨中节段为分析对象,横向预应力筋采用s mm低松弛高强钢绞线,距上缘 c m,在顶板 m范围内设有c m的下弯,箱梁截面几何尺寸如图所示.图混凝土箱梁断面尺寸(单位:c m)采用结构有限元分析软件M I D A SF E A进行计算.模型长 m,选用六面体单元为主的实体单元;由于仅计算顶板的横向应力(平面应变问题),因此边界条件取为两端简支(经过与实际边界条件的对比,两者差别很小).结构有限元计算模型如图所示.图跨中节段有限元计算模型 作用荷载及荷载组合作用荷载:恒载、横向预应力、顶板局部升温、节段间收缩差及活载(此处不考虑顶板局部降温的作用).()顶板升温:顶板局部温差按J T GD 规定计算;()节段间混凝土收缩差:由于各节段混凝土龄期不同,前期浇筑节段将对后期浇筑节段的混凝土收缩起约束作用,从而使前期浇筑节段内产生拉应力.根据试验结果,高强度混凝土收缩量可达到 /d,本桥假设相邻节段间混凝土的收缩差为 .()活载:采用J T GD 中车辆荷载.荷载组合:恒载横向预应力混凝土收缩荷载 顶板温升荷载 活载.顶板横向应力分析在组合荷载作用下(分别是否考虑混凝土节段间收缩差),顶板横向应力计算结果见表.表组合荷载作用下顶板横向应力(单位:MP a)部位至翼缘板端部距离考虑节段间收缩差不考虑节段间收缩差上缘下缘上缘下缘翼缘板端部 翼缘板 翼缘板变厚点 翼缘板 翼缘板根部 腹板 顶板根部 顶板 顶板变厚点 顶板 顶板中心 由表可知:当不考虑节段间收缩差时,顶板下缘从翼缘板变厚点到顶板变厚点之间出现了拉应力,该拉应力与横向预应力布置位置有关,拉应力最大值为 MP a,发生在翼缘板的根部,小于预应力混凝土A类构件的应力限值 ft k MP a,为部分预应力混凝土A类构件;顶板的上缘未出现拉应力.当考虑节段间收缩差时,顶板中心上缘 m范围出现了拉应力,最大值为 MP a,满足预应力混凝土A类构件的抗裂性要求;顶板下缘从翼缘板变厚点到顶板变厚点之间出现了较大的拉应力,最大值为 MP a,发生在翼缘板根部,已超过预应力混凝土A类构件的应力限值 MP a,在此范围内,顶板下缘可能发生顺桥向的裂缝.由此可见,节段间的混凝土收缩差是引起顶板顺桥向裂缝张开银,等:预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 的主要因素之一.为避免混凝土收缩差引起后浇节段界面处的顺桥向裂缝,可将后浇节段界面后一定范围内的横向钢筋进行加强.顶板优化设计从上述分析可知:除节段间混凝土收缩差对顶板横向应力影响较大外,顶板横向预应力筋的布置形式也在很大程度上影响着顶板 的应 力状 态.因此,根 据 计 算 结 果 做 出 以 下 优 化调整:()箱梁悬臂下缘横向钢筋、箱梁顶板下缘横向钢筋直径由 mm调整为 mm,纵向间距为 mm.()箱梁横向预应力距离顶板为 c m,会对悬臂翼板根部、顶板倒角根部产生拉应力,进而产生裂缝,因此横向预应力在满足纵向预应力布置的情况下尽量靠下布置.腹板顺管道方向裂缝控制腹板裂缝分为两部分:一是相邻节段交界面附近的顺桥向裂缝;另一是腹板顺管道裂缝,常发生在管道弯曲处.腹板顺桥向裂缝控制根据计算分析,箱梁相邻节段间的混凝土收缩差是腹板竖向拉应力的最主要影响因素,而箱梁自重、顶板横向预应力、顶板升温、活载的影响相对较小,但也不可忽略.竖向预应力对腹板产生的竖向压应力并不足以抵消以上荷载产生的竖向拉应力.无论是施工阶段还是运营阶段,在全部荷载作用下,腹板整个内侧、腹板外侧的上方均出现了较大的竖向拉应力,该应力已超过混凝土的抗拉强度,这些区域均可能产生纵向水平开裂现象,这主要与节段间的混凝土收缩差有关.若不考虑节段间收缩差的影响,则腹板不会发生顺桥向的裂缝.由于箱梁相邻节段间的混凝土收缩差仅影响到后续节段的 m范围,故在后浇节段界面后 m范围内,当箱梁腹板箍筋间距为 c m时,可有效地避免混凝土收缩差引起后浇节段界面处腹板的顺桥向裂缝.腹板顺管道裂缝控制有些预应力混凝土连续箱梁桥在施工期间即在腹板上出现了顺管道方向的裂缝,尤其在管道的弯曲段.产生裂缝的原因主要与纵向预应力钢束竖弯时的竖向分力作用、腹板竖向预应力作用以及节段间混凝土收缩差等有关.根据计算分析可知,腹板内的最大竖向拉应力出现在弯曲段管道左右侧壁处,此处混凝土首先横向开裂.开裂后,由于没有钢筋的限制作用,裂缝将沿腹板宽度向两侧扩展,最终开裂至腹板的两个侧面,形成通透性裂缝.由此可见,腹板两侧的箍筋由于距离管道较远,无法形成对裂缝的限制作用,不能有效地控制顺管道裂缝.所以,限制腹板出现通透性顺管道 裂 缝的 最有 效措 施,除 了尽 量 减小 混凝 土 收缩差,还可通过围绕管道配置普通钢筋,利用普通钢筋限制裂缝的发展,从而将裂缝控制在管道附近较小的区域,不至于形成通透性裂缝.因此.采用配置环形筋的方式可以有效地控制腹板的顺管道裂缝.环形筋直径为 mm,在后浇筑节段内自交界面后的 m范围内以及弯曲段范围内设置,其纵向间距为 c m.腹板预应力钢束防崩设计如图所示.图腹板预应力钢束防崩设计 底板顺桥向裂缝控制部分桥梁的箱梁底板出现了顺桥向的纵向裂缝.该纵向裂缝通常沿桥全长分布,裂缝宽度较小(约为 mm),施工或运营阶段均可出现.裂缝一般不在底板中心出现,而是对称分布在底板的/处.另外,底板纵向裂缝只在底板宽厚比一定范围内的局部梁段出现.底板顺桥向裂缝产生机理根据结构有限元分析结果,底板顺桥向裂缝主要与箱梁自重、纵向预应 力的 横向 分 力、节 段 间 混 凝 土 收 缩 差、活 载 等有关:()节段间混凝土收缩差是底板横向拉应力最主要的影响因素,其值为 MP a;而箱梁自重、底板纵向预应力横向分力、活载等影响较小,其中自重产生的横向拉应力最大值为 MP a,纵 向 束 横 向 分 力 为 MP a,活 载 为 MP a.若不考虑节段间收缩差的影响,底板横向拉应力最大值为 MP a,不会产生开裂现象.()在施工阶段,底板上缘最大横向拉应力出现在下承托与底 板 交 界 处,为 MP a,向 底 板 中 心 逐 渐 减 小 到 MP a.下缘横向拉应力由最外侧的 MP a向中心逐渐增大为 MP a.建筑结构JIANZHUJIEGOU张开银,等:预应力混凝土连续箱梁裂缝控制研究 工程与建设 年第 卷第期()在运营阶段,底板上缘横向拉应力出现两个峰值,分别位于下 承 托 与 底 板 交 界 处、底 板 四 分 点 处,其 值 分 别 为 MP a和 MP a,向底板中心逐渐减小到 MP a;下缘横 向 拉 应 力 由 最 外 侧 的 MP a向 中 心 逐 渐 增 大 为 MP a.由此可见,无论是施工阶段还是运营阶段,底板上下缘均出现了较大的横向拉应力,该应力已超过混凝土的抗拉强度,底板的上、下缘均可能产生纵向开裂现象,这主要与节段间收缩差有关.另一方面,在施工过程中,当混凝土节段间存在收缩差时,由于底板下缘与模板间存在摩阻力,该摩阻力将进一步增大后浇节段的横向拉应力,因此,施工期间底板下缘比上缘更容易产生纵向开裂.底板顺桥向裂缝的控制措施凉水特大桥底板厚度为 m,在底板内设置了上、下两层横向钢筋,其中,上层钢筋直径为 mm,下层钢筋为 mm,纵向间距均为 c m.根据分析,箱梁相邻节段间的混凝土收缩差是引起箱梁底板顺桥向裂缝的主要原因.为避免混凝土收缩差引起后浇节段界面处底板的顺桥向裂缝,可在后浇节段界面后 c m范围内适当减小箱梁底板的上下缘横向筋间距.在外荷载作用下,箱梁底板上、下缘的横向拉应力基本相等,即处于轴心受拉状态.对于较厚的底板,由于只在上下缘布置了横向钢筋,中间部分为素混凝土,因此,当横向拉应力超过混凝土抗拉强度时,将首先从底板的薄弱处(即底板上下缘之间的素混凝土)开裂.开裂后,由于没有钢筋的限制作用,裂缝将沿底板高度向上下缘扩展,最终形成通透性裂缝.由此可见,底板上下层的横向钢筋无法形成对裂缝的限制作用,不能有效地控制底板的顺桥向裂缝.因此,对于较厚的底板,除在后浇节段界面后一定范围内适当减小底板上、下层横向筋间距外,还需在底板上、下层横向钢筋中再增设层横向钢筋,以提高底板抵抗横向拉应力的能力.具体如下:由于节段底板厚度为 c m,在底板厚度中间处增 加 一 层 横 向、纵 向 钢 筋;新 增 横 向 钢 筋 的 直 径 为 mm,纵向间距与上下层钢筋相同;而 节段底板厚度为 c m,不必增加.底板崩裂控制近些年,曾发生多起大跨径预应力混凝土连续梁桥/连续刚构桥混凝土箱梁底板崩裂的施工事故,这不仅影响了工程质量和施工进度,并且带来了较大的经济损失.箱梁混凝土底板线形一般采用抛物线或圆曲线,不同的线形会产生不同的接触正应力,底板混凝土的受力状态亦不同.对于底板预应力钢束与弯曲管道的接触正应力分析,现行桥梁设计原理采取了弯曲管道预应力摩阻损失类似的错误分析方法,通过刚体的静力平衡关系得到了接触正应力p()TR(T为任意角处预应力钢束的拉力,R为对应角度下管道曲率半径).由肖财等的研究结论可知,其接触正应力呈“钟”形分布,那么其对称点处的真实接触正应力p()TR.如果按照最大接触正应力pm a xTR进行抗崩裂设计,势必会给桥梁运营中的箱梁混凝土底板留下崩裂的隐患.合龙段纵向裂缝控制合龙段是桥梁的关键,但合龙段内顶板、腹板、底板的开裂程度较其他的节段严重.节段间的龄期差、顶板升温等是引起合龙段纵向开裂的主要原因,.可适当加强横向普通钢筋,即将箱梁顶板及底板的上、下缘所有横向筋,翼缘板下缘横向筋,腹板箍筋的纵向间距调整为c m.结论()结合目标工程凉水特大桥结构的受力特点,对全桥进行了混凝土箱梁结构性裂缝控制局部钢筋配置优化设计,达到了预期目的,对控制混凝土箱梁运营中的跨中下挠具有积极作用.()经成桥后外观检测,桥梁外观较好,发现仅有两个节段(过冬节段)腹板出现了沿纵向预应力管道斜裂缝,经分析是压浆后养生不及时、温度较低,管道内有水分残留,多次冻融循环导致管道开裂.施工裂缝均进行了很好的修补,对整体结构受力有影响甚微.()在成桥静力荷载试验中,对主要受力部位的混凝土表面和原裂缝进行了监测,结果表明,原有裂缝扩展宽度未超出规范规定,且卸载后裂缝闭合宽度大于扩展宽度的/,满足要求.因此桥梁结构处于弹性工作状态,其刚度与强度均满足设计要求.参考文献薛兴伟大跨P C梁桥跨中下挠及裂缝控制研究D广州:暨南大学,马少飞大跨度预应力混凝土连续刚构桥挠度成因分析D北京:北京交通大学,王国亮,谢峻,傅宇方在用大跨度预应力混凝土箱梁桥裂缝调查研究J公路交通科技,():唐小兵,贾志伟,黄爱,等连续刚构桥施工过程中腹板斜裂缝成因分析及试验研究J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():涂健,赵体波,雷俊卿预应力混凝土连续箱梁裂缝产生原因及预防措施研究J铁道建筑,():邓季坤,罗小勇,梁岩,等预应力混凝土连续刚构桥腹板斜裂缝成因分析J混凝土,():,中华 人 民 共 和 国 交 通 运 输 部公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范:J T GD S北京:人民交通出版社,肖财,张开银,黎晨 P C弯曲孔道摩阻损失中接触应力分布试验J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():,龙佩恒,陈惟珍温度应力对既有混凝土连续箱梁桥开裂的影响分析J公路交通科技,():,于天来,姜震连续刚构箱梁桥腹板开裂原因分析J中外公路,():