预应力混凝土连续刚构桥腹板斜裂缝成因分析.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5 期) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5( T o t a l No ． 3 1 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRET E P R0DUCTS d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 3 1 预应力混凝土连续刚构 桥腹板斜裂缝成 因分析 邓季坤，罗小勇。 梁岩 。 蔡德昌 ( 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 预应力混凝土箱梁裂缝问题在混凝土结构施工与运营过程中都是较常见 的， 腹板斜裂缝尤为突出， 基于云南某混凝 土 连续刚构桥在施工过程 中腹板产生斜裂缝 ， 采用精细化的有限元模型分析裂缝成 因。 承载力复核表明， 桥梁在施工过程和营运 状态下的抗剪承载力安全富余较大 ， 能满足设计规范要求 。 产生裂缝的主要原因是竖 向预应力张拉滞后 ， 纵 向预应力张拉时混 凝土龄期不够 ， 造成纵向预应力张拉锚下混凝土开裂， 分析方法与结论对同类工程问题具有一定的参考价值。 关键词 ： 裂缝 ； 预应力 ； 有限元 ； 连续刚构桥 ； 箱梁 中图分类号： T U 5 2 8 ． 7 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 — 0 1 2 7 — 0 4 An a l y s i s o f t h e c a u s e o f we b d i a g o n a l c r a c k s i n 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 r i g i d f ra me b r i d g e DENG ] iku n，LUO Xi a o yo n g， LI ANG Ya h，CAIDe c h a n g ( F a c u l t y o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ， Ch a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Abst ract ： Cr a c ks ， e s p e c i a l l y we b d i a g o n a l c r a c k s， i n p r e—s t r e s s e d c o n c r e t e bo x g i r d e r i s o n e o f the c o mmo n p r o bl e ms i n the p r o c e s s o f c o n c r e te s t r u c t u r e c o ns t r uc tio n a n d o pe r a ti on ． I t i s b a s e d o n a c o nc r e te c o n tin u o u s r i g i d f r a me brid g e i n Yu n n an wh os e we b p r o d u c e d i n — c l i n e d c r a c k s i n the c o n s t r u c ti o n p r o c e s s ． An a c c u r a t e fin i t e e l e me n t mo d e l h a s b e e n b u i l t t o a n a l y z e the c a us e o f c r a c ks ． Be a r i n g c a p a c i t y r e v i e w s h o ws t h a t the s h e a r c a p a c i ty me e t s the d e s i g n a n d s p e c i fi c a ti o n r e q u i r e me n t s i n the c o n s t r u c ti o n p r o c e s s a n d o p e r a ti n g c o n d i — fio n s ． Th e ma i n c a u s e o f c r a c k s u n d e r t h e a n c ho r a g e wa s be c a u s e o f no t ti me l y to t e n s i o n the v e r t i c a l p r e—s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t ， a n d the c o n c r e te s tre n g th wa s no t e n o ug h wh e n the l o n g i t u d i na l p r e—s tre s s e d r e i n f o r c e me n t wa s t e n s i o ne d． Th e a n alys i s me tho d a n d c o nc l u— s i on h a v e c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r the s i mi l a r e n g i n e e rin g p r o b l e ms ． Key wor ds： c r a c k； p r e—s tre s s e d r e i n f o r c e me n t ； fin i t e e l e me n t mo d e l ； c o n ti nu o u s rig i d f r am e； b o x g i r d e r 0 引言 由于预应力混凝土连续刚构桥整体 刚度大 ， 跨越能力 强 ， 造价较低等诸 多优点 ， 近几十年来此类 桥梁形式 在桥 梁建设 中得到了充分利用与发展 。 但是 由于设 计理论 、 施 工 、 养护管理等方 面存在 的缺 陷， 导致 此类 桥梁暴露 出 了 诸多的病害问题 ， 严 重影响桥梁结构 的安全 ， 而箱梁 腹板 开裂是尤为突 出的一类病害问题 ， 在 国内外的诸多同类桥 梁 中较常见 ， 裂缝产 生的原因也不尽相 同 ， 因此针对此类 问题 ， 有必要具体 问题具 体分析 ， 找 出原 因以便为 同类项 目的实施提供参考。 本研究从云南省某大桥的工程实际出 发 ， 分析了施工阶段箱梁腹板产生斜裂缝 的原因与危害。 1 工程 概 况 本试验所分析的桥梁为 云南省 澜沧江 流域的一座 预 应力混凝 土连续 刚构桥 ， 全长 4 1 0 I T I ， 跨径组 成 为 ( 9 0+ 1 7 0+ 9 0 ) + 2 3 0 m， 主桥为预应力混凝土连续刚构 ， 引桥 为预制预应力混凝 土 T梁 ， 该桥 主墩 为两个双肢薄 壁墩 ， 1 墩 高 9 3 ． 5 m， 2 墩高 7 7 m。 主桥梁体宽度 8 m， 各墩与梁 收稿 日期 ： 2 0 1 5 — 0 3 — 1 2 基金 项 目 ： 国家 自然科学联合基金 ( U 1 3 6 1 2 0 4 ) 体相 接 的 根 部 梁 高 为 1 1 m， 现 浇 段 与合 拢 段 梁 高 均 为 4 m。 该桥特点为大跨高墩窄梁 ， 墩身采用爬模法施 工 ， 主梁采用悬臂浇筑法施工 ， 均为动态成型 ， 高空作业。 该桥 在施工 的后期 ， 部分箱梁 的腹板 出现了斜裂缝。 2 裂缝对结构的危 害 开裂是混凝土结构的常见病害 。 随着混凝土浇筑 、 养 护到使用的全过程 ， 都充斥着各种各样微观和宏 观的裂缝 的发生和发展 ， 在混凝 土结构的全寿命周期 中 ， 裂缝 是不 可避免的。 根据裂缝产生的原 因， 可将其划分为荷载裂缝 、 混凝土变形引起的裂缝 ， 以及化学腐蚀引起的裂缝等。 裂缝对结构的危害主要表现 为裂 缝往往成 为影 响混 凝土耐久性的有害介质 ( 如 C O ： 、 氯离 子、 水 等) 侵入的通 道 ， 从而为混凝土碳化 和钢筋 锈蚀创造条件 ， 造成混 凝土 性能的劣化。 现阶段关于裂缝对混凝土耐久性影 响的研究 比较一致的结论认为裂缝 的产生能够加速有 害介质 侵入 混凝土 内部 ， 进而引起 钢筋 与预应 力筋锈蚀 。 有研究 者认 为裂缝能够使钢筋锈蚀的时间提前， 能够启始腐蚀进程并 使该处力筋活化。 相同养护条件、 相同龄期条件下， 裂缝处 1 27 4 裂缝成 因分析 根据裂缝产生的位置和形态初步分析 ， 本桥腹板斜裂 缝应属于施工阶段的荷载作用引起 的裂缝 ， 故本试验从 荷 载作用的角度分析裂缝成因 ， 以下为分析过程 。 4 ． 1 合拢前腹板抗 剪承 载力复核 由于该桥腹板出现 了斜裂缝 ， 首先考虑是否为抗剪承 载力不足造成 ， 故 对其特征 截 面的抗 剪承 载力进 行 了复 核 。 该桥各跨腹板厚度分别 为 ： 1 - 7节段 9 0 c m， 8 ～ 1 3节 段 7 0 c m， 1 4 - 2 0节段 5 0 c m， 截 面高度按 1 ． 8次曲线变化。 根据截面腹板厚度 的变化情 况 ， 取 1 、 7 、 8 、 1 3 、 l 4五个节段 的后端截面为特征截面进行抗剪承载力复核。 施工期间各截面承受的剪力主要 由混凝土 自重产生 ， 根据施工材料的实际情况 ， 混凝 土重度取 2 6 k N／ m 。 取浇 筑完成合拢前 的最后一个节段后 ， 各特征截 面承受 的剪力 为计算剪力 ， 此 时各特征截面的混凝 土累计用量及承受 的 剪力见表 2 。 表 2 特征截面混凝累计用量及计算剪力 节段 1 7 8 1 3 1 4 混凝土累计用量／ m 1 1 4 3 7 2 7 6 5 2 2 8 6 2 3 4 剪力／ 1 0 k N 2 ． 9 7 1 ． 8 9 1 ． 6 9 0 ． 7 0 ． 6 1 考虑到施工期间模板 、 挂蓝 、 桥 面施工材料堆载 、 施工 人员等的影响 ， 施工荷 载影响系数取 口= 1 ． 2 。 以 1 号节段为例 ， 进行抗剪承载力验算 ， 计算如下 ： 1 号节段考虑施工影 响的剪力计算值为 ： = 卢X F l = 2 ． 9 7 X1 0 X1 ． 2= 3 ． 5 6 X1 0 k N ( 1 ) 由J T G D 6 2 --2 0 0 4 (( 公路钢筋混凝土及预应力混凝土 桥涵设计规范》 第 5 ． 2 ． 7条规定： y 0 ≤ + b+ ( 2 ) 式( 2 ) 不考虑竖 向预应力筋时 ： ．r———————— ————— ====————一 l = O tl 2 3 0 ．4 5 1 0 一 b h 0 √( 2 + 0 ． 6 P ) ．k p 。 ：I ． 01 ． 01 ． 10． 4 51 0— 0I 8 0 09 5 0 0 。 廊 4 x ~ - x 1 6 2 一 = 4 ． 2 8 X1 0 k N ( 3 ) 考虑竖 向预应力筋时 ： = ， 0 ． 4 51 0～b h 。 ：1 ． 0 X 1 ． 0 X 1 ． 1 X0． 4 51 0一 X 1 8 0 0 X9 5 0 0 焉 = 5 ． 0 3 X1 0 k N ( 4 ) V s = 0 ( 5 ) b = 0 ．7 5 1 0 ， p d X Z A p b s i n 0 p =0 ． 7 51 0— 3 1 2 6 0( 23 2 1 s i n 3 0 。 ) = 1 ． 0 81 0 k N ( 6) 若未张拉竖向预应力钢筋， 则有： 。 1 + b + ’ ， 口 b = 5 ． 3 61 0 k N> 0 V 若张拉竖向预应力钢筋 ， 则有 ： s2+ b+ D b=6． 1 11 0 k N > o V 综上所述 ， 节段 l 抗剪承载力满 足要求。 其余节段特征截面抗剪承载力复核见表 3 。 表3 施工阶段各特征截面抗剪承载力汇总 ( 7 ) ( 8 ) 截面位置 1 7 8 1 3 1 4 剪力计算值／ 1 0 k N 3 ． 5 6 2 ． 2 7 2 ． 0 3 0 ． 8 4 O ． 7 3 抗剪承载力未张拉竖 5 ． 3 6 4 ． 2 3 4 ． 0 1 3 ． 3 3 3 ． 1 1 ／ 1 0 k N 张拉竖向 6 ． 1 1 4 ． 7 9 4 ． 4 8 3 ． 7 3 3 ． 4 7 由表 3 ， 悬臂施工阶段各特征截 面抗剪承载力大于施 工 阶段计算剪力 ， 说 明悬臂施工阶段 各特征截面抗剪承载 力均满足要求。 4 ． 2 施 工节段 腹板主拉 应力分析 腹板主拉应力采用有 限元软件 Mi d a s ／ C i v i l 建模分析 ， 本模型采用 四节点板单元 ， 混凝 土弹性模量取张拉纵向预 应力时实测值。 纵向预应力按实际纵向预应力荷载按实际 张拉角度分解为水平荷载和竖直荷载施加 ， 竖 向预应力分 为按设计张拉状态 、 未张拉状态 和按实际张拉状态 三种情 况施加 。 由于本模型主要分 析腹板 主拉应力 ， 且桥梁施工 期间荷载理论上为对称加载 ， 桥墩对其影 响不大 ， 考虑桥 墩对 0 块 附近梁内腹板应力 的影 响 ， 根据圣维南原理 ， 建 模时取 1 0 m 桥墩高度进行计算 ， 底部固结 。 模型如图 3 。 图 3腹 板主 拉应 力分析 模型 通过 Mi d a s ／ C i v i l 计算分析 ， 各节段施工工况纵向预应 力张拉区域 的主拉应力计算值见表 4 。 从表 4可以看出竖 向预应力是否张拉对各 阶段施 工工况纵 向预应力 张拉锚 下区域的最大主拉应力影响较大 ， 按设计要求竖 向预应力 张拉后计算 的最大主拉 应力为 0 ． 8 5 ~ 1 ． 7 9 MP a ， 竖向预应 力未张拉时的应力为 2 ． 0 6 - 2 ． 7 2 MP a ， 竖 向预应 力按实际 情况张拉时的应力为 1 ． 8 8 - 2 ． 4 8 MP a 。 4 ． 3 裂缝成 因分析 根据该桥施工监测 的数据分析表 明： 该桥桥 台不均匀 沉降值均不到 3 m i l l ， 没有出现规律性 的沉降值 ， 考虑测量 误差 ， 桥台没有沉降和不均匀沉 降 ； 桥梁 的线型与监测 设 计线型基本吻合， 没有出现过大的侧向偏移和竖向变形 ， 说明桥梁施工过程保持在可控状态， 纵向预应力束早期预 应力损失控制在容许值内； 桥墩底部截面应变变化正常， 没有出现过大的不均匀变化 ， 桥梁施工保持了较好的对称 1 29 表 4 1 墩各阶段施工工况纵向预应力锚固区域最大主拉应力 注 ： ( 1 ) 括号内为按加早强剂后按规范计算纵向预应力张拉时混凝土强度和按混凝土设计强度推算张拉纵向预应力时混凝土抗拉强 度 ； ( 2 ) 表中列 出的最大主拉应力为扣除局部应力集中后纵向预应力张拉 区域最大主拉应力。 性 ； 梁端截面应变变化正常 ， 没有出现过大的不均匀变化。 凝土开裂 。 基 于以上情况 ， 并根据本桥施工 图、 施工情况 、 施工阶 段承载力复核和腹板主拉应力分析 ， 该桥腹板 出现斜裂缝 主要原 因是 ： ( 1 ) 纵向预应力筋张拉 时间过早 Mi d a s ／ C i v i l 分析结果表明， 各节段腹板纵向预应力筋 和腹板竖 向预应力筋均张拉完毕后 ， 产生 的锚下部分腹板 最大主拉应力为 0 ． 8 5 ～ 1 ． 7 9 MP a ； 而竖 向预应力未张拉时 张拉腹板纵向预应力筋产 生的锚 下部分腹板 的最大主拉 应力为 2 ． 0 6 - 2 ． 7 2 MP a 。 从表 1 可以看出 ， 出现裂缝 的节段 张拉时混凝土龄期为 2 - 5 d ， 大部 分不足 4 d 。 C 5 5混凝土 的抗拉强度标准值为 2 ． 7 4 MP a ， 4 d 混凝土抗拉强度很低 ， 可能小 于计算 主拉应力 ， 导致 纵 向预 应力 张拉 时腹 板开 裂 。 这也与裂缝大多是在该节段纵 向预应力张拉时间出现 的情况相吻合。 从 图 1 裂缝的走 向与纵 向预应力筋 的关 系也可 以发 现 ： 裂缝走 向与预应 力钢筋 张拉时 的最大 主拉应力 方 向 ( 垂直于预应力筋方向) 垂直， 位置在靠近预应力筋锚下部 分处， 也就是接近主拉应力最大而锚下加强配筋结束的部 位 。 而且预应力筋张拉过早 ， 由于此时混凝土 的弹性模量 较小 ， 会导致混凝土的收缩徐变过大 ， 预应力损失加大 ， 对 连续刚构桥的长期运行不利 ， 将导致梁的长期变形加大。 ( 2 ) 竖向预应力筋张拉不 当 大跨径现浇箱梁设计采用配置密集 的竖向预应力束 施加竖 向压应力从而减小主拉应力值 ， 来提高腹板 混凝土 的抗剪能力 ， 避免裂缝 的出现。 但 是本工程施工 中由于张 拉时间偏晚导致抗剪效果不佳 ， 张拉纵 向预应力筋 时产生 的锚下拉应力没有得到竖 向预应力的有效控制和抵消 ， 锚 下混凝土主拉应力超过混凝土抗拉强度导致锚下腹板混 1 30 5 结 语 ( 1 ) 抗剪承载力复核表 明了腹板出现斜裂缝不是结构 整体抗剪承载力不足造成 的， 而是 由于其他原因引起 的局 部应力超标所致。 ( 2 ) 通过有限元软件分析了各施工阶段腹板 的主拉应 力 ， 分析得出竖向预应力未张拉或张拉不完全会导致纵 向 预应力张拉锚下 区域混凝土 主拉应力超 过其抗 拉强度从 而导致腹板开裂。 另外纵 向预应力张拉过早 、 混凝土抗拉 强度不足也是导致腹板开裂 的原因。 ( 3 ) 针对裂缝产生 的原 因， 对预应力张拉顺序和张拉 时间进行了调整 ： 张拉预应力筋时保证混凝 土 7 d的养护 时间或者达到 8 0 ％的设计强 度 ， 确保 先张拉 竖 向预应 力 筋 。 后序监控发现， 已发生 的裂缝后期都呈闭合趋势 ， 并且 未产生新裂缝 ， 说明分析的正确有效性。 ( 4 ) 本研究从设计和施工的角度分析了某预应力混凝 土连续刚构桥悬臂施工 阶段 ， 腹板斜裂缝产 生的原 因， 对 同类型桥梁的设计与施工具有一定的参考价值。 参 考文献 ： [ 1 ]钟新谷． 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究[ J ] ． 铁道科 学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 ( 3 ) ： 7 —1 4 ． [ 2 ]杜斌 ， 赵人达． 大跨度预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因 分析及防治对策[ J ] ． 公路交通科技， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 7— 8 1 ． [ 3 ]杨小平， 刘荣桂， 吕志涛． 裂缝对预应力混凝土结构 耐久性影 响的试验研究[ J ] ． 江苏大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 6 ) ： 9 0 —9 4． 下转第 1 3 6页