预制大型混凝土箱涵的开发.pdf

第 4 O卷 第 6期 2 01 3年 6月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 40， No 6 J u n 2 0 1 3 预 制大 型混凝 土 箱涵 的开发 朱航征编译 在 道路 和 小 型河 道 等项 工程 施 工 中 ， 对 于 内部 空间宽 5 m 以上 的大 型箱涵 ( 矩 形 涵洞 ) ， 须 根 据道 路和河道条件 ， 在施工现场多为图 1 所示斜角箱涵。 箱涵的用途 ， 如为道路是为下通道进行设置 ， 如为小 型河道则兼作道桥使用。作为箱涵的施工方法大致 有 三类 ： 现浇 混凝 土 ； 全 预制 混 凝 土 ； 预制 混 凝 土 与 现浇混凝土相结合的半预制方式。表 1为这三类箱 涵的特征。如何选择使用， 须根据跨长 、 工期、 经济 性 和施 工性 等因素 进 行考 虑确 定 ， 如 跨 度在 5 m 以 上的斜角作为条件 ， 一般都从经济性观点出发 ， 多采 用现浇混凝土箱涵。这是因为 ， 如采用全预制 ， 现有 模 板结合 现场 斜角有 必要进 行改 造 ， 为 缩短工 期 ， 改 造 模板 的费用 加 大 了工 程成 本 。此 外 ， 采 用 预应 力 钢筋连接预制构件 ， 同样增加 了工程成本也是重要 原因 。 图 1 斜角箱涵形状 表 1 不 同箱涵结构的特征 全预制 半预制 现 浇 混 凝 土 ( 上下两分结构) ( 本文所介绍) 断面 j lIr”一 一u。l 结构 一 般 为 整 体 上 下 两 个 结 顶 板 交 角 、 接 缝 现 浇 钢 筋 混 凝 构 ， 通过 预应 力 和底 板混 凝土现 浇 形式 土结构 钢筋连接成一体 成整体 7 6 续表 全预制 半预制 现浇混凝土 ( 上下两分结构) ( 本 文所介绍 ) 全 部 现 场 施 现 制 与 现 浇 结 施工 工 ，特 别 是 质 全部 为预 制， 量、 精 度必须 注 采用 P C钢筋 张 合。现 场 作 业 简 性 拉 连接 ， 施 工速 化 ： 侧板 、 顶板 为预 意 ， 工期 而受 气 制 ， 便 于选 择运 输 候影响 度快 起 重机 械 工 程 1 0 0 1 2 1 1 0 9 费用 工期 l _ 0 0 0 5 4 0 6 2 以 内邵 空 l司觅 度 8 0 0 0 mil l 四部 空 间 高 度 4 0 0 0 m m， 斜 交 角 =7 5 。 ， 活荷载 T一2 5， 被覆土层 1 0 m， 延长 2 0 m为条件 ， 以现浇混 凝土箱涵为 1 0 0进行不 同结构特征的比较。 另 一方 面 ， 如从缩 短工 期 、 施 工性 和质 量稳 定性 观点出发 ， 采用斜交 角大型箱涵有望实现预制化。 鉴于以上情况 ， 开发了一种工期短 、 经济性和施工性 都 较好 的具有 环形接 头构造 的预 制混凝 土斜交 角大 型箱涵 ， 简称 F A箱涵结构。 1 预 制混凝 土斜 交角大 型箱涵构 造 F A箱 涵 的构 造 见 图 2 。图 2中 的相 关 尺 寸 为 后 述静 载试 验 的是 尺 试 件 。 图 2所 示 为 一 刚 架 箱 构 ， 顶板 、 侧板和底板为其三部分， 顶板与侧板为预 制 ， 底板 为现浇 混凝 土 ， 实 为 半 预制 方 式 ， 环形 筋 见 突出斜交 角预 制板下部 ( 如 图 3所 示 ) ， 与斜 交角 预 制侧板上部 ( 图 4左 图) 。环形筋与桃脚 突出筋突 出在侧板上侧 ， 而底板则突出于横向。 顶 板 与侧 板 的连 接是 在 拐角 部位 现 浇混 凝 土 ， 通过图 5所示拐角部位的环形接头 ， 使顶板与侧板 形 成一 体 。侧 板与底 板 由侧 板突 出 的主筋与底 板主 筋 在现 场形成搭 接构 造 ， 通 过底 板 浇 筑 混 凝 土 形 成 一 体。由于整 体性提高 ， 在后 述 的箱 涵足尺试 件 中 ， 在拐角部 位 ， 侧板 与底板 的接缝面 ， 使用 了环 氧系接缝 连接剂 。此外 ， 顶板作 为一种 预应力 与 钢筋混凝土混合结构 ， 简称 P R C结构 ， 配置的钢筋 第 6期 朱航 征 ： 预 制 大 型 混凝 土 箱 涵的 开 发 第 4 0卷 表 2拐 角 部位 试 件 示意 No 1 2 3 类别 整体型 整体型 环形接头型 斜交角 9 0 。 7 5 。 7 5 。 斜视 图 现浇筑， ， 图 7 载荷方法示意 图 8 载荷试验状况 2 2评 价 方 法 静载 试验 的试 件如 表 2所 示 ， 通 过获 得 的变 位 和应 变等 数据对 比进 行 验 证 ， 说 明环 形 接 头构 造 试 件( N o 3 ) 与整体型试件 ( N o 2 ) 具 有同等的性能。 此外 ， 通 过 直 角试 件 ( N o 1 ) 与 斜 交 角 试 件 ( N o 2 ) 的试 验结 果 的比较 ， 还 对斜交 角 的影响进 行 了研 究 。 关 于直 角型试件 ( N o 1 ) 事先 并 进行 过计 算 ， 并设 定 了以下 载荷 阶段 ： 1 ) 发 生裂缝 时 的荷 载 ： 无筋 条 件下 经 有 限元 方 法 ( F E M) 分 析 结 果 ， 侧 板 中央 发 生 裂 缝 的 荷 载 为 8 0 k N。 2 ) 设 计 荷 载 ： 据 前 述 设 计 条 件 的 土 压 与 活 荷 载 ， 设计 计算 ( 刚架 计 算 ) 时 ， 顶 板 刚 性 区 端部 弯矩 荷 载为 1 0 2 k N， 称 为设计 荷载 。 3 ) 破 坏荷 载 ： 钢 筋 屈 服 时 的 荷 载 为 2 9 5 k N， 弯 曲破坏 位置 为侧板 中央 ， 据此称 为破坏 荷载 。 2 3 实验 结果与研 究 据 试件 N o 1N o 3的 试 验 状 况 ， 各 试 件 的差 异并不 大 ， 在设 计 荷 载 下均 未 发 生 裂缝 。发 生 裂缝 的荷载 与最 大荷 载列于 表 3 。各 试 件 的最 大荷 载 均 超过 了破坏 荷载 。 表 3 拐角部位试件发生裂缝和最大荷载 试体 N 0 1 2 3 裂缝 发生荷载 k N 1 3 O 1 2 0 1 2 0 最大荷载 k N 3 4 5 3 5 8 3 4 6 78 有关 顶板 顶 端 的荷 载 一变 位关 系 如 图 9所示 。 在 裂缝发 生 的 1 2 0 k N以后 其变位 量有所 差异 ， 但 在 线 形 区内则未见 有差异 。 图 9顶板 顶端 的荷 载 一变 位关 系 有关荷载 一 应变关系， 在标准值内和线形 区内， N o 1 N o 3试件均未见有较大差异。作为一项研 究例 证 ， 有 关侧板 挑脚 起 始 钢筋 的荷 载 一应 变 关 系 如 图 l 0所示 。图 l 0中发生 裂 缝 后 的应 变 ， 只 有 环 形 接头型 ( N o 3 ) 比其它 试件 小 。可 以这样 推 断 ， 这 是 由于环形 接头 测定 部 位 的 钢筋 为 搭接 接 头 ， 钢 筋 为 2倍 以上 配置所 致 。 图 1 O 侧板外侧挑脚起点钢筋的荷载 一 应变关系 根 据 以上 结果 ， 拐 角 部位 的环形 接 头构 造 的适 应 性是 有效 的 ， 环形 接头 与整体 性能 同等 ， 具有 相 同 的断 面力 。此外 ， 斜 交 角为 7 5 。 时 ， 斜 交 角 的影 响几 乎不存 在 。 3 足 尺试件 的性 能确认试 验 足过 试件 制 成后 进 行 了装 配施 工 实验 ， 随 后 又 进行 了静载 试验 。本节 为其试 验结果 概要 。 3 1装 配施 工 实验 为验 证 F A箱 涵 的施 工性 和施 工 时 安全 性 ， 按 图2制作了足尺试件 ， 并进行 了装配施工试验。并 进行 了装 配施工 。 装配施 工试 验情 况 如 图 1 1中所 示 ( 1 )( 9 ) 。 首先设置了如 图 l 2所地示 H型钢 ， 随之调整其水 平度。现按其施工程序简述如下。 第 6期 朱航征 ： 预制大型混凝 土箱涵的开发 第4 0卷 3 2足尺 试件 的静载 试验 1 ) 预制 构件 、 现浇 混凝土 配合 比 图2所示足尺计划试 件的预制构件 与现浇混凝 土 的配合比如表4所示。设计标准强度为4 0 M P a 。 表 4足尺试件的预制构件与现浇混凝 土的配合 比 单位用量 ( k g m ) 设计标 粗骨料 水胶 比 类别 准强度 最大尺 含气量 砂率 胶结材 B 高性能 ， B 水 细骨料 粗骨料 高炉矿渣 膨胀材料 减水剂 MP a 寸 m m 水泥 C S G B FS AD 预制构体 4 0 2 0 2 0 4 0 7 3 9 1 l 6 4 2 6 4 1 0 8 3 0 7 0 0 1 l 6 2 2 O 0 现浇混凝土 4 0 2 0 2 0 3 8 8 4 5 7 1 7 3 4 1 5 3 1 7 7 8 9 8 2 4 0 1 预制构体混凝土掺有 3 0 k g m 膨胀材料成 为 补偿 干燥收 缩 、 减 小 裂 缝 的 收缩 补 偿 混 凝 土 。 图 3 所 示 的拐角部 位 ， 在 现浇混 凝土 时 ， 由于下端 与边 端 两方 向均为高 刚度制 品能 约束 变形 。因而被认 为 易 于发生因水化热引起 的外 部约束裂 缝。为 此拐角 部位与顶板接缝 间的现浇混凝土也使用 了收缩补 偿 混 凝 土 。预 构 件 使 用 的膨 胀 材 料 属 C S A 系 ( 钙 硫 铝 盐 酸 类 ) ， 现 浇 混 凝 土 使 用 的膨 胀 材 料 属 石 灰 系 。 2 ) 试 验概 况 图 2 、 图 1 1一( 9 ) 所 示为 静 载试 验 的足 尺试 件 ， 内部 空 间宽 1 1 m 内部空 间高 6 m。足尺试 件 的斜 长方 向 内空 间宽 1 1 3 8 8 m( 斜 交 角为 7 5 。 ) ， 覆 盖 土 层 0 5 m， 活荷载 T一 2 5 ， 横断设 计 ， 斜 面直 角方 向延 长 2 8 9 3 m， 根 据 这 些 条 件， 确 定 构 件 的厚 度 和 配筋 。 图 1 3为载荷装 置示 意 图， 四台连动 型 电动泵 与 图 l 4所示顶板上 的 4台穿 心 式千 斤顶 ， 通过 螺 帽 与 锚板对钢 筋施 加 预 应力 ， 实施 结 构 物 的 2点 加 荷 ( 2 线加荷) 。千斤顶的下部设有载荷计， 并使用数据记 录器计测每次加荷的荷载、 变位和应变。此外 ， 在载 荷试验前一 天 ， 对水 平方 向的 4根 P C钢筋进行 张拉 ， 按前 述 设计 条 件 中 的侧 向 土压 ， 导入 水平 方 向荷 载 ( 上侧 1 0 7 k N 根， 下侧 2 5 0 k N 根) 。荷载装置设置 后 的情况见 图 1 5 。图 1 6为载荷试验公 开实施情况 。 3 ) 评 价方法 达到破坏各 阶段荷载是否符合判 断标准， 取决 于以下各 点 ： 设计荷载： 根据前述设计条件 的垂直土压与 活荷载 ， 设计计算出顶板 中央弯矩在垂直方 向的荷 载 ， 并以 P c钢筋的张拉力为其荷载 ， 为 1 4 1 k N 根 ( 4根计 5 6 4 k N ) ， 称为设计荷载 ， 在设计荷载下 ， 各 断面无裂缝 ， 即使有裂缝 ， 其裂缝宽度由计算求得， 并在允许裂缝宽度以下。 8 0 穿心千斤顶 I l _ _ ， 、 垂直方向荷载 十 水平方向荷载 载荷用P C 钢筋 1 载荷用P C 钢筋 J J 南 南 。 l 一 一 I 。 l I 反 力 ( 埋入 承压板) 图 1 3载荷装置示意 图 1 4顶板上设置的千斤顶( 加力装置) 图 1 5 载荷装置完成设置情况 极限荷载 ： 据有关混凝土道桥设计规定 ， 在设 计计算时顶板 中央弯矩荷 载为 3 0 3 k N 根 ( 4根计 1 2 1 2 k N) ， 此 即称 为 极 限荷 载 。在 极 限 荷 载 下 ， 各 断 面不会 达到极 限 。 第 4 O卷 朱 航 征 ： 预 制 大 型 混 凝 土 箱 涵 的 开 发 第 6期 图 1 6静 载 试 验 情 况 抗破坏荷载： 根据有关道桥设计规定 ， 计算出顶 板中央破坏弯矩( 由断面力求出) 荷载为3 9 5 k N 根( 计 1 5 8 0 k N) ， 此称为抗破坏荷载 。试 险时 ， 最大荷 载确认 大于抗破坏荷载。 此外， 按以往计算箱涵断面力的方法， 据有关道路 土方 一 涵洞 设计规 定有两 种方法 ： 一 是求箱涵 地基反 力， 按底板轴线两端点支承进行计算； 另一是考虑到基 础地基弹性变位 ， 以弹性基 础上 的刚架 结构进行计算 。 这两种方法对大型箱涵是否适用也需进行研究 。 4 ) 混凝 土强 度试 验结 果 表 5为 混凝 土强 度试 验结果 。抗 压试 件 随足 尺 试件养护 ， 蒸汽养护后进行一段时间的湿养护 ， 试验 前几 天 还经 过几 天 的大气 养护 。现 浇混凝 土虽在设 计标 准 强度 以下 ， 但经 结 构计算 ， 其 测定 强度 仍能 满 足 要求 ， 因而照 样进 行 了静载试 验 。 表 5 混 凝 土 强 度 试 验 结 果 材龄 1 4 d 载荷试 验前 ， MP a 材龄 d ， MP a MP a f , MP a NO 1 6 3 61 6 3 7 6 4 3 4 顶 板 No 2 6 2 5 9 0 NO 1 41 7 7 0 5 2 7 3 4 8 3 8 6 NO 2 4 3 3 6 9 5 3 8 侧板 NO 3 4 5 7 6 8 5 6 9 NO 4 4 6 3 6 5 6 3 0 现浇 4 7 3 3 1 2 3 6 注 ) 抗 压 强 度 ， E ： 弹性 模 量 ， ： 抗 拉 强 度 5 ) 静载 试验 概况 静 载试 验经 过情 况 如表 6所示 。在设 计 荷载 下 未 发生 裂缝 ， 在 极 限荷 载 下 ， 各 种 断 面 也 未 达 到 极 限。最大荷载为 4 1 7 k N 根 ( 计 1 6 6 8 k N) ， 也大于 抗破 坏 荷载 ， 对 最 大 荷 载 的极 限荷 载 之 比为 1 3 8 ， 对抗 破 坏 荷 载 比例 为 1 0 6 ， 说 明具 有 安 全 的 断 面 力 。图 1 7为试验结束时的裂缝状况。顶板上部拐 角 处 与侧板 构件 挑 臂 始 点 的纵 向裂 缝 的 发 生 ， 均 系 超过极限荷载所致。此外 ， 在最大荷载下 ， 顶板 中央 内侧钢 筋 即达 到屈服应 变 。 表 6静载试 验经过 状况 荷载 ( k N 根 ) 试体状况 1 4 1 ( 设计荷载 ) 无裂缝 拐角处混凝土与顶板 的接缝 ( 外侧 ) ， 目测 l 53 1 6 3 确认剥离 ， 宽 0 0 8 m m 2 0 3 2 1 3 顶板 中央内侧 ， 目测确认裂缝 2 4 2 2 6 l 侧板上部外侧挑臂起点 ， 目测强度裂缝 拐角混凝土与侧板 的接缝 ( 外侧) ， 目测 确 2 612 8 2 认剥离 ， 宽 0 0 4 m m 2 8 2 3 0 3 顶板中央内侧裂缝 宽度 0 2 mm 3 0 3( 极 限荷 载) 未达到极限 3 0 3 3 3 9 顶板外侧挑臂起点， 目测确认裂缝 底板混凝土与侧板 的接缝 ( 外侧) ， 目测剥 3 3 9 3 9 5 离确认 ， 宽 0 0 6 m m 3 9 5 ( 抗破坏荷载 ) 未达到极限 4 1 7 试验结束( 最 大荷载 ) 图 1 7试验结束时的裂缝情 况 6 ) 荷载 一变 位关 系 顶 板 中 央 荷 载 一变 位 关 系 如 图 1 8所 示 。 在 2 1 3 k N 根 前 大 致 呈 线 形 变 位 ， 对 于 设 计 荷 载 ( 1 4 1 k N 根 ) ， 可 以确认具 有安 全 的结构 强度 。 一 詈 一 霪 图 1 8顶板 中 央荷 载 一变 位 关 系 7 ) 试验值与理论值对 比 图 1 9中所示 为顶 板 中央线 形 区 内( 2 1 3 k N 根 ) 荷载 一变位关系的试验值与理论值的对比。由图 1 9 可知 ， 2点支 承 理 论值 、 弹 性基 础 上 的 刚架 结构 理 论 值与试验值具有一定配合性( 有关各个分析模型， 可 参 照前述 3 ) 断面力计 算方 法 以及 图 2 1和 图 2 2 ) ， 载 荷试 验现场 的基础 由足够厚 的 5 2 0 m m混凝 土基础板 81 第 6期 朱航征 ： 预制大型混凝 土箱涵的 开发 第4 O卷 所支 承。为此 ， 作 为弹性基础上 的刚架结构计 算时 的 地基 反 力 系 数 ， 混 凝 土 标 准 设 计 强 度 设 定 为 = 3 0 MP a ， 其弹性模量 为 2 8 G P a 。 一 詈 磊 框 一 一 1 4 1 k N ；t t 脯 J 、 遵 笙 三 徽 ) 8 2 图 2 1 2点支承框 架结 构的弯矩 l x k 图 2 3 试验结果与理论值的对 比( 弯矩 ) 其次， 由载荷试 验时 的应变测定 值换算 成弯 矩 ， 图 2 O为其 弯 矩 图 ， 图 2 1为 2点 支承 的理论 值 ， 图 2 2所 示 为 弹性 基 础 上 刚 架 结 构 的理 论 值 。但 图 2 1 、 图 2 2中在 达 到 最 大 荷 载 前 均 假 定 为 线 形 。 图 2 0如与图 2 1相 比较 ， 侧板下 部弯矩 的符号不 同 ， 底板的弯矩也有较大不 同。另一方面 ， 如 图 2 0 与 图 2 l比较 ， 在 线 形 区 内 ， 试 验 结 果 与 理 论 值 则 大体 一致 。因此 ， 通 过 对 比可 以认 为 ， 对 于 大 型 箱 涵 ， 断 面力 的计 算 方 法 作 为 弹 性 基 础 上 的 刚架 结 构计 算 是适 当的 。在 线形 区内 ， 图 2 0与 图 2 2的对 比如 图 1 5所 示 。 由于 试 验 结 果 与 理 论 值 大 体 一 致 ， 说 明拐角 处 的环 形接头 构造具 有有效 的功 能 ， 作 为刚架 结构计 算是 适宜 的。 此外 ， 2点承框架结 构模 型 ， 对 于弹性基础 上刚架 结构模型 ， 设 计偏于安 全 ， 但 底板 弯矩过 大 ， 也称 为过 剩设计。因此， 今后在大型箱涵设计时， 如标准贯入试 验明确了值 ， 地基反为系数易于计算 ， 并作为弹性基 础上的刚架结构计算； 如现场 值不明确， 经平板载荷 试验和单轴抗压试验以及三轴抗压试验等取得充分的 现场调查， 即可进行结构计算， 取得更为合理的设计。 4结束语 带有环 形接头 构造 的预制混 凝 土斜交角 大型箱 涵 ( F A箱 涵 ) 已开发 推 出 。本 文 对其 拐 角处 环 形接 头构造的基础实验 、 作为足尺试件的性能确认试验 、 施工试验以及足尺静载试验等进行了叙述 ， 并取和 以下几 点认识 ： 1 ) 拐角处 的环 形接 头 构造 即适用 又 有 效 ， 环形 接头构造与整体具有同等性能和断面力。 2 ) F A大型箱 涵按设定 的工艺程序施工 ， 可确 认其安 全性 。 3 ) 侧板的组装 ， 通过钢轨基础可提高其施工性。 4 ) 大型箱 涵断 面力 的计 算 方 法 ， 需求 出箱 型底 面 的地基反 力 ， 既 有底板 轴线两 端 2点 支承计 算法 ， 更有 考虑基 础地基 弹性 变位 ， 作为 弹 性基 础 上 刚架 结构计 算法 。 5 ) 足尺 试 件 的静 载 试 验 结果 与理 论 值 大体 一 致 ， 拐角处 环形接 头构造 功能有 效 ， 适 于按 刚架构造 进行计算。 6 ) 今后 在进 行 大 型箱 涵设 计 时 ， 如 标 准贯 人 试 验的 值明确 ， 地基反力系数而计算 ， 作为弹性地基 上 的刚架结 构 即可进 行计 算 ， 如 值不 明确 ， 可通过 平板载荷试验和单轴抗压试验以及三轴抗压试验等地 基条件的现场调查进行计算 ， 可取得更 为合理 的设计 。