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在用预应力连续梁、连续刚构桥箱梁开裂成因及处治技术研究

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在用预应力连续梁、连续刚构桥箱梁开裂成因及处治技术研究
报 告 简 本

1.研究背景与意义
预应力混凝土箱梁结构起源于第二次世界大战后的欧洲，德国和法国分别率先把悬臂浇筑和悬臂拼装这两种施工技术运用到预应力混凝土箱梁桥梁上。从受力特点上来讲,预应力混凝土箱梁抗弯和抗扭刚度大，可以承受较大的正负弯矩和扭矩作用，特别适合悬臂施工，加上预应力的优点,使这种结构型式非常适合用于连续箱梁和连续刚构等大跨结构.同时预应力连续箱梁和连续刚构桥的造型简洁美观，整体性和连续性好，行车舒适,易养护,施工便利,工艺较为成熟。因此，在世界范围内被广泛得到使用,在40~300m的经济跨径范围内，此类桥型是最有竞争力的桥型之一。从70年代开始,我国公路上开始修建大跨度预应力混凝土箱梁桥，进入80年代后，预应力连续箱梁桥和预应力箱梁连续刚构桥得到了迅猛发展，现已成为我国大跨度桥梁的主要桥型之一。在我国的高等级公路上修建了大量大跨度预应力箱形截面桥梁,主跨径达100m的桥梁数以百计,200m以上的也已超过了30座.
但是，在运营过程中预应力连续梁、连续刚构桥箱梁的腹板、顶板、底板、横隔板以及锚固齿板等部位出现了不同形式的裂缝，开裂程度轻重不一。这些裂缝的存在，对结构的安全性、耐久性和正常使用产生了十分不利的影响:
(1）裂缝出现破坏了结构设计的计算假定条件,结构的受力由于刚度变化引起内力重分布,一些断面内力增加，导致这些断面的安全度降低，严重者甚至造成桥梁结构的破坏。
（2）失去混凝土保护的钢筋会受到空气中有害物质的侵蚀，将加速钢筋的锈蚀，削弱桥梁的耐久性，缩短结构的使用寿命，特别是预应力钢束(筋）的腐蚀属“高应力腐蚀”，其危害性更大。
（3)裂缝削弱箱梁的刚度，使箱梁变形增大.国内主跨245m的某大桥由于出现了大量裂缝,跨中严重下挠，最大达32cm。
目前公路管理部门对于出现大量裂缝的桥梁一般都采取了限载限速的措施,大大削弱了桥梁的使用功能.近年来，我国公路在用预应力连续梁、连续刚构桥箱梁开裂问题尤为突出，已引起科研、设计和管理部门的广泛关注。迫切需要探明箱梁结构裂缝产生的机理和形成规律，改进和完善设计、施工措施,了解箱梁开裂后的使用性能，以及研究相应的加固处治方法，为此类桥梁的设计、施工、养护提供技术支持.
2。研究目标
本项目在我国预应力箱梁开裂成因分析和处治技术方面已取得的理论与应用成果基础上,对预应力连续箱梁、连续刚构桥箱梁开裂问题进行系统的研究。通过本项目的研究,明确在用预应力连续梁、连续刚构桥箱梁典型裂缝的产生原因，探寻先进、经济、实用的预应力箱梁检测技术,探讨开裂预应力箱梁桥安全性评估方法，并提出实用、有效的预应力连续箱梁、连续刚构桥箱梁开裂的防治措施和加固技术.
3。主要研究内容及实施方案
3。1主要研究内容
本项目共分4个专题，各专题包括若干分项,具体如下：
3.1。1专题1：预应力箱梁裂缝调查及检测技术研究
(1) 预应力箱梁裂缝调查
(2) 预应力箱梁检测技术研究
3.1。2专题2：预应力箱梁开裂成因分析研究
(1) 结构参数的平面分析
（2） 箱梁空间效应分析
（3) 箱梁温度梯度模式的影响研究
（4） 设计因素影响分析及改进措施研究
(5) 施工因素影响分析及改进措施研究
3.1。3专题3：预应力箱梁开裂后的性能研究
(1) 裂缝对预应力箱梁结构刚度、承载力的影响研究
(2） 预应力箱梁开裂后结构安全评定指标的研究
3.1。4专题4：预应力箱梁维修加固技术研究
（1） 裂缝封闭技术研究
(2） 结构补强技术研究
3.2具体的实施方案
3.2.1专题1的研究实施方案
（1）预应力箱梁裂缝调查
对公路在用预应力连续箱梁、连续刚构桥箱梁在全国范围内进行调查，了解我国箱梁开裂的基本状况。一方面为本课题的研究提供全面的资料，另一方面为此类桥梁的养护、加固计划安排提供依据。
调查采用“由面到点"两阶段调查方式，即通过向全国公路有关部门发放调查表进行普查，在此基础上对典型和状态完好的桥梁进行重点调查，现场检查箱梁的开裂状况。普查项目主要有：结构形式、总体参数、预应力钢束布置形式和类型、结构变形、裂缝形式和分布、过桥车辆超载情况等方面。在详细调查阶段，除现场观察箱梁内外表面裂缝的形态特征和分布外，补充和核实普查资料,收集有关桥梁的设计、施工、监理、运营等资料。
对调查的箱梁裂缝进行分类，了解裂缝特性，归纳出典型裂缝，并对其可能成因进行初步总结，为下一步的理论分析确定其开裂原因奠定基础。
（2）预应力箱梁检测技术研究
①开裂区混凝土强度检测
开裂区混凝土强度是指有裂缝存在，其间距足够大的区域混凝土，在受压达到破坏极限时的应力值，为分析预应力箱梁开裂成因和加固设计提供依据。在通过比较分析后,选择回弹法、超声回弹法、针贯入法开展模型试验。在模型开裂前后分别用上述方法进行扫描式检测,经过数据的回归分析、误差分析、强度推定，分析裂缝对检测的影响因素及研究减小其影响的措施，确定实用的检测方法并编制检测技术应用指南。
②预应力筋定位及管道压浆状况检测技术研究
充分了解目前国内外现有的预应力筋定位及管道压浆试验检测方法和手段，对不同检测方法和手段进行对比,分析其在桥梁测试中的可行性；并通过模型或实桥试验，检验、分析超声法、雷达探测法、冲击回波法、红外线法、射线法、放样测试法的检测效果及影响因素，提出经济、便捷、实用的检测方法.
③竖向预应力筋有效预应力检测技术研究
调查目前国内外竖向预应力体系及有效预应力检测方法和手段,对比分析后选择再张拉法进行实桥试验，研究各种影响因素，建立实测数据与有效预应力的相关关系，实现有效预应力的检测。
3。2。2专题2的研究实施方案
（1）结构参数的平面分析
根据箱梁裂缝调查的结果，选择典型桥梁进行平面分析，比较不同跨径布置、梁高，腹板厚度以及连续刚构桥梁、墩刚度比等参数对结构内力、应力的影响,并提出相应的改进措施。
（2)箱梁空间效应分析
①根据箱梁裂缝调查的结果，选择典型桥梁进行空间计算,分析单项荷载、组合荷载下箱梁的应力状态。
②研究不同宽跨比、高跨比、边中跨比等的影响。
③对比分析直束布束筋和弯束布束方案优劣,对预应力箱梁桥的布束方案提出改进建议。
④比较平面分析和空间分析结果差异，为改进平面分析提出建议。
（3）箱梁温度梯度模式的影响研究
①深入比较国内外桥梁规范的温度梯度模式，分析其对典型箱梁桥的应力影响。
②对实桥温度分布进行测试，了解箱梁空间温度场分布,并比较实测温度分布与规范温度梯度模式的差异。
③在实桥空间温度场观测的基础上，采用数学处理方法研究给出实测数据的温度梯度模式。
（4)设计因素影响分析及改进措施研究
重点研究预应力箱梁的混凝土应力限值、竖向预应力有效预应力计算和防止裂缝的构造措施。
①比较分析各国规范混凝土应力限制值的差别,全面分析箱梁受力特点，提出预应力箱梁混凝土的应力合理取值范围。
②根据常用竖向预应力的形式、腹板受力特点和有效预应力的试验结果,分析各项应力损失，提出竖向预应力有效应力的计算方法。
③调查箱梁锚固布置及裂缝现状，采用数值模拟的方法分析锚固位置附近应力状况，提出合理的构造措施和锚固布置方式。
④对腹板斜裂缝、顶板纵向裂缝、横隔板发散裂缝、顶底板横向裂缝、底板崩裂裂缝的开裂机理进行计算分析，归纳总结开裂成因并提出典型裂缝的预防措施.
（5）施工因素影响分析及改进措施研究
①根据预应力箱梁裂缝调查的结果,从材料、施工工艺、预应力系统和结构尺寸偏差等方面分析开裂成因，并提出改进措施。
②对常用竖向预应力锚固系统进行试验，研究预应力损失的影响因素和改进措施。
3。2.3专题3的研究实施方案
(1)裂缝对预应力箱梁结构刚度、承载力的影响研究
① 收集国内外相关资料,分析、比较不同裂缝对预应力结构刚度、承载能力的影响，在此基础上寻找预应力箱梁开裂后刚度、承载能力的评估方法。
② 采用统计学观点,对外观杂乱的裂缝建立箱梁裂缝统计特征，形成规律性裂缝。
③ 基于实际裂缝统计特征，建立分析模型.
④ 以通用计算程序为平台，研究提出开裂结构分析计算方法。其核心是斜裂缝和正裂缝的模拟和处理问题。
⑤ 通过模型试验，验证上述计算方法的有效性。
（2)预应力箱梁开裂后结构安全评定指标的研究
①在实桥和实验室内进行混凝土桥梁的混凝土和钢筋材料性能试验，获得相关参数,如强度、裂缝特征、保护层厚度、钢筋锈蚀程度、碳化深度等测试数据.
②在统计分析的基础上，基于随机过程理论建立混凝土强度、钢筋特性参数的退化模型。
③考虑裂缝对结构抗力的影响，基于可靠度理论建立安全指标评价模型,研究安全指标的计算方法，编制相关计算程序，并对计算方法进行验证。
3.2。4专题4的研究实施方案
(1）裂缝封闭技术研究
①对已完成裂缝封闭的典型桥梁进行调查，收集国内外有关箱梁裂缝封闭方面的技术资料，特别是有关的研究成果和工程实践资料。
②结合已有的箱梁裂缝处治经验,补充必要的裂缝灌浆试验，完善和提升裂缝封闭技术，编写裂缝封闭技术指南。
（2）结构补强技术研究
①针对预应力连续箱梁、连续刚构桥箱梁的特点，重点研究预应力加固法、粘贴钢板加固法和劲性刚架加固法的使用条件、力学特点、材料要求、计算方法、施工工艺、构造措施等。
②就上述加固方法提出质量检验评定指标和要求等。
4.主要成果与评价
本项目针对在用预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁桥开裂问题进行系统研究，其主要研究成果可归纳为箱梁裂缝调查及检测技术、开裂成因分析、开裂预应力混凝土箱梁性能评价和开裂箱梁加固补强技术4个方面.
1.预应力混凝土箱梁桥裂缝调查及检测技术
（1）在交通部公路司的大力支持和帮助下,开展了在用预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁开裂情况的全国调查工作，收集了180余座桥梁资料，对其中45座进行了详细调查,共发现5类16种裂缝，获得了典型裂缝的分布规律、形态特征和统计特征，为项目研究提供了重要的依据和支撑,也为有关部门编制桥梁养护计划提供了依据.
研究认为我国公路预应力混凝土箱梁开裂的基本原因为设计、施工和运营管养三方面均存在不足。腹板斜裂缝、顶底板纵向裂缝和横隔板辐射及竖向裂缝是最主要的开裂形式。

图1 预应力混凝土箱梁裂缝调查
（2）通过理论分析、模型和现场试验、实桥应用，研究了开裂区混凝土强度、竖向预应力筋有效预应力、预应力筋定位及管道压浆状况检测技术，进行了多种方法、多工况下的试验对比，开发了预应力钢筋的雷达精确定位技术及竖向有效预应力检测成套技术,提出了开裂区混凝土强度的检测评价技术指南,为桥梁工程验收、病害分析、加固维修提供了高效、实用的检测方法，填补了开裂区混凝土强度评价和预应力钢束无损定位检测技术的空白。

(a）预应力定位技术实桥试验及采集的图像

（b）X射线检测预应力管道压浆饱满度试验及成像图
图2 开裂预应力混凝土箱梁检测技术
2.预应力混凝土箱梁桥开裂成因
(1）全面总结了预应力混凝土箱梁产生裂缝的施工因素，明确了混凝土收缩、水化热引起的温差、纵横竖三向预应力施工、保护层厚度、梁段接缝处理,以及混凝土配合比、浇筑工艺和顺序、养护、超方等对箱梁裂缝产生的作用，明晰了竖向预应力筋有效预应力的主要施工影响因素为锚固螺母滑移、锚垫板倾斜、张拉偏差、锚固偏差,由此引起的损失可达50％甚至更大.结合箱梁裂缝调查结果分析，认为混凝土的施工质量和预应力施工质量低劣是箱梁开裂的主要施工原因.
(2)对箱梁结构参数、设计计算、材料时效特性、预应力布置形式、混凝土应力限值、温度模式、结构构造等设计因素进行了研究。指出了规范（JTJ023-85）规定的应力限值偏高、缺乏针对箱梁的具体构造要求，明确了在用预应力混凝土箱梁桥设计中存在的不足：竖向预应力的锚固损失考虑不够、局部应力计算不细、预应力布置和锚固位置不合理、用主应力验算取代抗剪验算、温度梯度模型不合理、没有计入箱梁内外温差的影响、箱梁空间效应考虑不准确、悬浇施工预应力损失偏小,以及这些不足对裂缝产生的不利影响。研究认为应力限值、温度效应、预应力布置和构造要求等因素为影响箱梁开裂的主要设计因素。
（3）采用实体三维有限元对三向预应力条件下预应力混凝土连续刚构箱梁桥进行了施工阶段与使用阶段的全过程计算分析，比较了不同荷载（自重、三向预应力、汽车中偏载、空间体系温差、空间温度梯度、空间内外温差、组合荷载)和平面计算的差别,明确了箱梁的空间效应与典型开裂的对应关系，提出了基于空间效应分析的预应力箱梁平面修正算法，弥补了平面计算的不足。

图3 三向预应力条件下刚构箱梁桥施工、使用阶段的全过程分析模型
（4）通过典型箱梁桥为期一年半的温度场长期观测，获得了典型桥梁在自然环境条件下混凝土箱梁温度场的测点温度实测数据约34万余个,了解了箱梁温度场的分布及变化规律、沥青混凝土铺装厚度对温度场的影响。提出了根据长期观测数据来计算获得混凝土温度作用代表值的方法和对大跨径预应力混凝土箱梁的设计和开裂成因分析中如何考虑温度作用的建议。

图4 箱梁温度场测试
（5）根据预应力混凝土箱梁的裂缝成因分析和总结成功经验，提出了防止典型裂缝的设计和施工改进措施，如合理梁高、腹板厚度、预应力布置、最小含筋率、构造要求、竖向预应力筋张拉工艺、混凝土浇筑顺序等具体措施，形成了对相关设计、施工规范的有益补充。
3。开裂预应力混凝土箱梁性能评价
（1）依据外观调查统计、按照统计学观点建立开裂预应力混凝土箱梁裂缝统计特征参数，提出了存在正裂缝和斜裂缝预应力混凝土箱梁有限元计算模型及其截面有效刚度和承载力折减系数计算方法，并通过模型试验加以验证,为开裂箱梁的量化评价提供了简单实用手段，为维修加固决策提供了评判依据.
（2)采用可靠度作为评价结构安全的评定指标，研究提出了用分维数表示箱梁表面开裂程度的方法，建立了裂缝处钢筋面积的锈蚀时变模型和开裂区混凝土强度的概率模型，基于模糊失效准则建立了开裂预应力混凝土箱梁桥可靠度评价方法.
4。开裂箱梁加固补强技术

图5 开裂箱梁加固补强实例
(1）对国内外有关裂缝封闭技术进行了系统总结和提升，针对公路预应力箱梁地特点,明确了裂缝封闭技术的使用条件和注意事项,以及材料、设备、工序、质量检验与评定等具体要求,对规范裂缝封闭施工具有指导作用。
(2） 提出了开裂预应力混凝土箱梁的加固原则、工作程序和方案比选要求，形成了包括设计计算、构造布置、施工工艺、材料性能和质量检验等开裂预应力混凝土箱梁加固补强的成套技术,为制订预应力箱梁桥的加固设计、施工、质量检验评定标准奠定了基础.
项目鉴定专家组认为该项目是目前我国针对大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂问题最大规模和系统化的研究，其成果应用前景广阔，经济效益显著;总体达到国际先进水平。
5。项目的经济、社会效益及推广应用前景
预应力混凝土连续箱梁、连续刚构桥箱梁开裂是困扰桥梁设计和研究人员多年的问题,也妨碍了这类桥梁的使用和发展。本项目从设计、施工上提出防裂改进措施,可以从根本上避免因开裂带来的损害结构安全、使用功能和耐久性等不良后果,减少桥梁的养护费用，对新建桥梁具有实用指导意义；结构性能评价成果、裂缝封闭指南和箱梁加固成套技术为实现箱梁桥的合理、有效加固维修提供了有力技术支撑，从而避免拆旧建新，延长桥梁的使用寿命，提高投资效益；提出的预应力检测技术不仅为此类结构病害成因分析提供了测试手段，也为此类结构的质量控制提供了检测手段,对保障工程质量、促进管理水平提高可以起到推动作用。
预应力混凝土连续箱梁、连续刚构桥已建、在建、待建的数量众多,遍及全国各地.因此,本项目的研究成果应用范围大，前景良好，具有广阔的推广应用价值。
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