單箱雙室箱梁中腹板施工期裂縫成因分析

傅柏先 李守凱

1 緒論

從20世紀70年代開始,中國公路上開始修建大跨度預應力混凝土箱梁橋,進入20世紀80年代后,預應力混凝土連續箱梁橋和預應力混凝土箱梁連續剛構橋得到了迅猛發展,現已成為中國大跨度橋梁的主要橋型之一。隨著橋面寬度的增加,單箱雙室箱梁目前已被采用,但是通過現場工程調查發現,一些單箱雙室箱梁施工期發生了開裂現象,特別是1號塊,2號塊的腹板下部位置,通常會開裂。

最早研究箱梁腹板開裂問題的是林同炎,他針對1979年和1982年美國Las-Lomas橋和Kapiolani立交橋腹板開裂事故進行了分析研究,指出早期預應力箱梁橋的設計忽略了預應力徑向力對腹板的不利作用[1-3]。在認識到這個問題后,Caltrans[4]在20世紀80年代對此類曲線預應力箱梁橋的腹板厚度、鋼束布置以及防崩鋼筋設置等問題進行了研究,制定了供設計使用的圖表。此后的預應力曲線箱梁橋設計中,人們都采取了特別措施防止此類問題的發生,我國工程設計和建設人員也對防止腹板開裂的設計和施工方法進行了總結和研究[5-7]。但是目前通過文獻檢索發現,單箱雙室這種箱梁結構的裂縫成因分析方面的文獻相對較少。

2 背景橋梁

橋梁工程上部結構:2×(3×50)預應力混凝土預制連續 T梁+(90+4×160+90)預應力混凝土連續剛構+2×(4×50)+(3×50)預應力混凝土預制連續T梁+(5×30+30)裝配式預應力混凝土箱形連續梁。

橋梁工程下部結構:柱式墩、薄壁空心墩、肋式臺、樁基礎。橋面寬度:橋梁雙幅總寬為34.5 m,單幅寬17.25 m。趙氏河特大橋樁基425根,承臺57個,墩柱30個,薄壁空心墩54個,蓋梁46個,主橋連續剛構6跨,預制30 m箱梁 60片,預制 50 m T梁272片,共計混凝土22萬 m3,鋼筋3萬t,預應力鋼絞線3 000 t。

大橋支座部位截面尺寸如圖1所示。

3 裂縫描述發生類型

1)一些1號塊和2號塊的中腹板出現縱向水平裂縫。2)裂縫長度50 cm～200 cm不等,寬度在0.02 mm左右。3)距底板頂2 m位置。

4 現場傳感器埋設

根據現場裂縫調查結果,采取混凝土傳感器布設方案,1號～9號傳感器按照一定的空間在平面內等間距排列(見圖2),這樣能夠有效監測裂縫開裂、擴展對混凝土應力的影響。

4.1 箱梁中溫度測試結果

每隔30 min進行溫度應力測試,采集時間共計500 h,具體測試結果見圖3。

4.2 箱梁中應力測試結果

1)混凝土彈性模量變化規律。假定混凝土澆筑后彈性模量是隨時間變化的光滑連續函數,用如下的指數函數式求不同齡期的彈性模量。

其中,E(t)為不同齡期的彈性模量;E0為成齡期混凝土的彈性模量,按照規范取值即可;β,α均為經驗系數,結合現場彈性模量實測數據;t為混凝土齡期,d。

根據施工現場的混凝土彈性模量實測值,可以推導出彈性模量表達式如下:

實測值和理論值的比較見圖4。

2)強度發展規律。參照CEB-FIP(歐洲混凝土協會規范),考慮現場裂縫調查結果發現,混凝土裂縫出現在拆模之前,所以分析其原因極有可能是由于混凝土溫度應力導致,箱梁中腹板模板拆模時間現場控制在混凝土澆筑后1天,所以通過混凝土強度發展曲線,可以求得1 d時混凝土抗壓強度為15 MPa,則抗拉強度可取1.5 MPa。

3)測點應力分析。采用增量算法,考慮混凝土彈性模量的時變效應,混凝土強度的時變效應,通過分析應力時程曲線,發現1,2和3號應變測點的數據都相比其余的測點要大,且其數值接近混凝土24 h的抗拉強度。

5 結語

1)混凝土澆筑后發生了水化熱反應,溫度升高30℃左右。2)9個測點的最大溫度發生在25 h左右。3)從9個測點的溫度時程曲線分析,4,5和6號測點的溫度差比其余測點要高些,而從實際箱梁的裂縫調查結果來看,4,5和6號測點剛好為1號箱梁中腹板裂縫出現的位置。4)由于中腹板的模板一般在混凝土澆筑后1天就拆模,而從溫度測點的時程曲線來看,24 h剛好為混凝土水化熱最為充分的時間段,此時拆模帶來的最大問題就是箱梁中腹板內溫度和環境溫度相差會比較大,因為從溫度時程曲線來看,最高溫度為50℃,一般只有夏季炎熱時間段,大氣溫度能達到30℃左右,所以工程上應該延緩箱梁1號塊、2號塊的模板拆模時間。5)從溫度時程曲線分析來看,3 d左右時,混凝土溫度會降低到30℃左右,此時拆模能夠有效控制內外溫差。6)距離單箱雙室內箱梁底板1.8 m高處中腹板的1,2和3號應變測點的數據都相比其余的測點要大,且其數值接近混凝土24 h的抗拉強度。因此該位置較容易開裂。

[1] T.Y.Lin.International,Las Lomas Bridge-Causes of Structural Failure[R].Report to Department of Army,San Francisco District Corp.of Engineers,1979.

[2] T.Y.Lin.International,Interim Report-Kapiolani Interchange On-Ramp[R].Project No.I-HI-1(159):24,Hawaii DOT,1982.

[3] Podolny,W.The cause of cracking in post-tensioned concrete box girder bridges and retrofit procedures,PCI J,1985,30(2):82-139.

[4] Caltrans.Bridge Memo-to-Designers,Vol.1[M].California Department of Transportation,Sacramento,1996.

[5] 王愛梅,孫廣華.曲線梁橋預應力鋼索側向崩出的預防[J].江蘇交通科技,2000(5):17-19.

[6] 王鈞利.曲線箱梁橋的病害分析及設計對策[J].中外公路,2005,25(4):102-105.

[7] 朱振鋒.預應力平面曲線梁鋼索側向崩出的探討[J].廣東土木與建筑,2002(4):31-33.