連續(xù)剛構(gòu)橋施工中腹板裂縫分析

【摘 要】PC連續(xù)剛構(gòu)橋因施工過程中腹板產(chǎn)生裂縫而影響橋梁的力學(xué)性能和使用性能，因此腹板裂縫的分析研究成為目前普遍關(guān)注的問題之一。本文以四川高速公路某大橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)施工過程中4號(hào)塊腹板產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行分析，詳細(xì)討論了施工過程中改善腹板受力的方法。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)橋；腹板裂縫；主拉應(yīng)力

Analysis on Web' crack in Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge under Construction

Shen Chun-Li， He Zhao-Jian， Chen Yin-Chun

(Chongqing Jiaotong University Nanan Chongqing 400074)

【Abstract】Continuous rigid frame bridge' web crack in the construction will affect mechanical properties and operational performance of the bridge， so the analysis of web cracking become one of the matters of present universal concern. Taking a bridge， which is located at Sichuan Highways， as an example， analysis on web' crack of the forth stage and discussed in detail the way to improve the web by the force in the construction.

【Key words】Prestressed concrete;Continuous rigid frame bridge;Web' crack;Principal tensile stress

連續(xù)剛構(gòu)橋因跨越能力大，受力合理，結(jié)構(gòu)整體性好，造型美觀，是目前橋梁工程中應(yīng)用最廣泛的橋型之一。由于相關(guān)的設(shè)計(jì)理論不是很完善，連續(xù)剛構(gòu)橋在施工或運(yùn)營(yíng)過程中容易出現(xiàn)裂縫，尤其是腹板在預(yù)應(yīng)力筋張拉后出現(xiàn)開裂是一個(gè)比較典型的現(xiàn)象。本文以四川高速公路某大橋?yàn)楸尘埃⒔Y(jié)合有限元軟件對(duì)施工過程中4號(hào)塊腹板產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行分析，提出預(yù)防和改善腹板開裂的建議。

1. 工程概述及有限元模型的建立

四川高速公路某大橋主跨為76m+138m+76m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，分左右幅，總長(zhǎng)為290 m。全橋?qū)?7.5 m，頂板寬13.5 m，底板寬7.5 m，為單箱單室截面。梁高呈1.6次拋物線變化，腹板厚度分別為0.7 m和0.5 m，底板厚度由跨中的0.35 m按1.6次拋物線變化至根部的1.1 m。剛構(gòu)懸臂段采用掛籃對(duì)稱現(xiàn)澆施工，現(xiàn)澆節(jié)段長(zhǎng)3～4.5 m，最大懸澆主梁節(jié)段混凝土重194T，掛籃采用后支點(diǎn)掛籃，自重按60T計(jì)；兩岸邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架和導(dǎo)梁現(xiàn)澆施工。箱梁采用縱向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力體系采用大噸位錨固體系，豎向預(yù)應(yīng)力采用精扎螺紋粗鋼筋錨固。中、邊跨合攏斷長(zhǎng)均采用2 m；邊跨現(xiàn)澆長(zhǎng)5.8 m。大橋在施工過程中，當(dāng)4號(hào)塊縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢且4號(hào)塊豎向預(yù)應(yīng)力筋未張拉時(shí)，發(fā)現(xiàn)4號(hào)塊腹板存在肉眼可見的斜向、豎向和水平裂縫，主要以斜向裂縫為主。這主要是由于腹板內(nèi)產(chǎn)生了大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度的主拉應(yīng)力所致。為便于分析計(jì)算在腹板中產(chǎn)生的主拉應(yīng)力，采用有限元軟件MIDAS CIVIL對(duì)大橋進(jìn)行模擬計(jì)算分析，如圖1。

2. 腹板開裂原因分析

結(jié)合多方面因素，施工過程中引起腹板開裂的因素主要有縱向預(yù)應(yīng)力筋、豎向預(yù)應(yīng)力筋、腹板厚度和溫度應(yīng)力。由于施工時(shí)間不長(zhǎng)，混凝土收縮徐變較小，因此在施工過程中由不考慮混凝土收縮徐變對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響。

2.1 縱向預(yù)應(yīng)力筋。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋是連續(xù)剛構(gòu)橋的核心。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中，可以通過縱向預(yù)應(yīng)力給各構(gòu)件截面預(yù)壓應(yīng)力，以保證各截面的正截面強(qiáng)度，也可以通過預(yù)應(yīng)力的巧妙布置，提供和提高構(gòu)件的斜截面強(qiáng)度。施工過程是先張拉縱筋然后張拉豎筋，張拉縱筋時(shí)，由于頂板下彎束縱向預(yù)應(yīng)力筋提供給腹板一豎向的剪應(yīng)力，極有可能導(dǎo)致腹板裂縫的產(chǎn)生。文獻(xiàn)［2］提出增大預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)折處的縱向間距，或者將相近的幾條預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)折點(diǎn)的縱向間距拉大，都將減小斜向預(yù)應(yīng)力鋼束處腹板的主拉應(yīng)力，提高了構(gòu)件的斜截面強(qiáng)度，減小裂縫發(fā)生的可能性。

為了分析不同預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁腹板主拉應(yīng)力的影響，采用MIDAS對(duì)施工階段的4號(hào)塊進(jìn)行了考慮五種縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋情況:無預(yù)應(yīng)力損失、預(yù)應(yīng)力損失10%、預(yù)應(yīng)力損失20%、預(yù)應(yīng)力損失40%及有效預(yù)應(yīng)力(按照規(guī)范，扣除各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失后的有效預(yù)應(yīng)力)的詳細(xì)分析從表1、表2可以看出，縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力對(duì)各節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力有較大影響。主拉應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力損失的減小而增大。預(yù)應(yīng)力損失越大，主拉應(yīng)力就越大，裂縫出現(xiàn)的可能性就越大。2.2 豎向預(yù)應(yīng)力筋。

連續(xù)剛構(gòu)橋豎向預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失也是腹板產(chǎn)生裂縫的重要因素之一。設(shè)計(jì)中采用的豎向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋長(zhǎng)度短，螺母與精扎螺紋鋼筋的間距損失以及錨墊板與螺母錨固損失相當(dāng)大，有效預(yù)應(yīng)力與計(jì)算值差距大。在一些橋梁的實(shí)際調(diào)查中，常有豎向預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)應(yīng)力不到位的情況，甚至在施工完成以后，有的預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)無預(yù)應(yīng)力。這對(duì)箱體的受力是不利的，因?yàn)樨Q向預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁截面主拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)是相當(dāng)大的。同時(shí)豎向預(yù)應(yīng)力在節(jié)段中分布不均，節(jié)段的接合位置是豎向預(yù)應(yīng)力的最低谷，因此這也是箱梁腹板開裂的原因之一。

施工過程中，連續(xù)剛構(gòu)橋的頂板預(yù)應(yīng)力筋以及頂板下彎束預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)置波紋管由于施工不當(dāng)經(jīng)常出現(xiàn)管道堵塞的現(xiàn)象，施工單位通常采取的辦法是鑿開頂板或者內(nèi)腹板以打通波紋管道。而頂板下彎束通常布置在腹板內(nèi)以及腹板與頂板連接處，這樣豎向精軋螺紋筋的錨墊板與螺母錨固損失就相當(dāng)大，因此這種帶有初始缺陷的豎向預(yù)應(yīng)力筋的豎向預(yù)應(yīng)力的損失也非常大。故在施工過程中應(yīng)盡量避免這種人為因素而造成的預(yù)應(yīng)力損失，或者在頂板鑿開后及時(shí)對(duì)周圍豎筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)來減小豎筋的預(yù)應(yīng)力損失。

2.3 腹板厚度。

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁為了減少結(jié)構(gòu)自重，往往盡量減少箱梁截面面積。而腹板的受力有正截面法向應(yīng)力、直接剪應(yīng)力，由于剪力滯和畸變附帶產(chǎn)生的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，豎向預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力和因箱梁扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的剪力流等的作用，會(huì)影響腹板的主拉應(yīng)力，因此腹板的厚度也直接影響箱梁腹板主拉應(yīng)力的大小。此預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的腹板厚度為70cm，在考慮箱梁自重、掛籃及預(yù)應(yīng)力鋼筋共同作用下，采用MIDAS分別計(jì)算60cm、70cm、80cm厚的腹板對(duì)主拉應(yīng)力的影響。結(jié)果表明4號(hào)塊腹板中點(diǎn)的橫向和豎向主拉應(yīng)力均隨著腹板厚度的減小而增大。

文獻(xiàn)［4］也討論了腹板厚度對(duì)腹板主拉應(yīng)力的影響，并指出腹板厚度及腹板厚度的變化形式都對(duì)腹板的主拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。為了改善箱梁腹板的主拉應(yīng)力，當(dāng)腹板設(shè)計(jì)的較薄時(shí)，可以通過增厚腹板;在相同腹板厚度的情況下，采用較長(zhǎng)距離實(shí)現(xiàn)腹板厚度的變化。通過這兩個(gè)方面的措施，可以很好的改變腹板受力。

因此，在施工過程中，為了改善腹板受力，增加腹板厚度不失為一種可行的辦法。但是從橋梁總體的受力、減輕橋梁自重等幾方面綜合考慮，本橋70cm的腹板厚度還是可行的。

2.4 溫度應(yīng)力。

橋梁設(shè)計(jì)中通常會(huì)考慮年溫差和日溫差的影響。混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)輻射和大氣輻射及外界氣溫的影響下，混凝土箱梁沿高度方向會(huì)產(chǎn)生不同的溫度狀態(tài)，即溫度梯度，產(chǎn)生溫度變形。大量資料表明，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系中，此項(xiàng)溫差應(yīng)力甚至超過活載的應(yīng)力，被認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。因此，在此考慮在日溫差作用下產(chǎn)生的溫度梯度效應(yīng)對(duì)4號(hào)塊腹板進(jìn)行分析。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)由梯度溫度引起的效應(yīng)，采用如圖2所示的箱梁橋豎向溫度梯度曲線。采用MIDAS對(duì)箱梁4號(hào)塊在在豎向溫度梯度下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在主梁上施加溫度梯度，4號(hào)塊腹板中點(diǎn)在正溫差溫度梯度下（T1=25℃，T2=6.7℃）產(chǎn)生的溫度應(yīng)力為0.24MPa，在負(fù)溫差溫度梯度下（T1=-12.5℃，T2=-3.35℃）產(chǎn)生的溫度應(yīng)力為0.28 MPa，均為拉應(yīng)力。由此可知因溫度應(yīng)力而使腹板產(chǎn)生開裂也不是不可能的。

3. 結(jié)論及建議

通過上述分析可知，為了改善施工過程中腹板再次出現(xiàn)裂縫，可通過下述方法來改善腹板的受力：

3.1 考慮施工時(shí)混凝土實(shí)際彈性模量的影響，采用張拉力和張拉長(zhǎng)度雙重控制的方法控制縱向預(yù)應(yīng)力的張拉，防止縱向預(yù)應(yīng)力張拉過大。同時(shí)防止縱向預(yù)應(yīng)力損失過大而使張拉力很小。3.2 充分且合理考慮豎向預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失，提高豎向預(yù)應(yīng)力筋的錨固力。避免在施工過程中因施工不當(dāng)?shù)热藶橐蛩卦斐刹y管的堵塞，或者在頂板鑿開后及時(shí)對(duì)附近區(qū)域的豎向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的補(bǔ)強(qiáng)，減少豎向預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失。

3.3 通過合理增加腹板厚度來減小腹板的主拉應(yīng)力，也可以通過較長(zhǎng)距離實(shí)現(xiàn)腹板厚度的變化。

3.4 選擇合理的溫度梯度模式。同時(shí)選擇合理的季節(jié)施工，減小腹板中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)的抗裂性。

參考文獻(xiàn)

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