箱梁底板崩裂處理及防范措施探討

白金增 周指示

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

箱梁底板崩裂處理及防范措施探討

白金增 周指示

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

結合工程實例，借助實體有限元仿真分析軟件，分析了箱梁底板崩裂病害的成因，并介紹了病害補救措施，提出了混凝土箱梁底板設計與施工的注意事項，對處理類似工程問題有一定借鑒意義。

箱梁，預應力，病害

預應力混凝土結構具有跨越能力強、適用性好、節省材料等優點，被廣泛應用于大、中跨橋梁上部結構中。常用的預應力混凝土截面形式包括T形、π形及箱形。箱形截面由于具有較強的承受正負彎矩的特性，且抗扭剛度較大，被廣泛應用。

近年來，變截面連續箱梁在底板預應力鋼束張拉時頻頻出現底板混凝土崩落的現象，引起橋梁工程人員對這一問題的關注。

1 典型病害形式

混凝土箱梁底板崩裂的病害形式有：底板縱向開裂，底板上、下層混凝土大面積分離，鋼束局部崩出。一般認為，底板崩裂的主因是預應力的徑向外崩力，徑向力主要來自于鋼束的設計平豎彎曲及施工定位偏差引起的局部彎曲[1]。

1)底板縱向開裂。在徑向豎向力作用下，底板出現橫向撓曲，中部下緣和支點上緣受拉。當混凝土應變超出材料極限時，則出現縱向開裂。箱室越寬、底板鋼束離腹板愈遠，越明顯。2)底板上、下層混凝土大面積分離。箱梁底板上、下層混凝土受鋼束徑向力的影響，出現上下層分離的趨勢。當徑向力大于混凝土粘結力和聯系鋼筋的拉力時，底板混凝土將出現開裂分層，箱梁表現為大面積起鼓或大塊脫離。當預應力管道布置密集時，管道對截面的削弱較大，更容易出現此類病害。3)鋼束局部崩出(剪出)。相對于混凝土的大面積分離，在局部外崩力的作用下，易出現單根鋼束崩出病害。當外崩方向混凝土保護層厚度較小、受力鋼筋配置不足、混凝土質量存在缺陷時，較易出現。

2 病害實例

2.1 橋梁總體布置

某跨河橋主橋為3跨剛構橋，縱向分孔為(33+50+33)m。主墩為墩梁固結的斜腿剛構，中、邊跨均帶有20 m掛孔。

V形斜腿支點距離為16.75 m，主梁采用變截面預應力混凝土箱梁，單箱單室截面，跨中和支點梁高分別為1.2 m和2.4 m，箱梁底緣線采用拋物線。箱梁按照全預應力構件設計，配有頂板束(10束7Φs15.2)和底板束(10束7Φs15.2)。橋梁立面布置示意圖見圖1，底板預應力布置見圖2。

2.2 病害情況

箱梁預應力設計采用先頂板后底板的順序對稱張拉，在底板鋼束張拉到第8根時，箱梁底板混凝土開始出現崩裂，施工單位隨即停止張拉操作。

經檢查發現，箱室內部混凝土無明顯病害，底板混凝土大面積脫落：縱橋向脫落范圍為跨中兩側各3 m～4 m，橫橋向混凝土幾乎完全脫落；波紋管明顯外崩下撓，與底板混凝土完全分離；底板底層鋼筋網縱向鋼筋受壓屈曲，橫向鋼筋下撓嚴重，底板聯系鋼筋被拉直失效(見圖3，圖4)。

3 事故分析

本例屬于典型的底板上、下層混凝土大面積分離的病害形式。病害處理前，先借助有限元軟件對箱梁受力狀態進行分析。

3.1 有限元模型

借助ANSYS建立箱梁實體有限元模型，取箱梁半結構建模，考慮自重和預應力外荷載。模型假定施工狀態與設計一致，無施工偏差。不考慮混凝土的壓碎和開裂，混凝土用Solid95單元模擬，鋼筋和預應力鋼絞線采用Link8單元模擬。

3.2 分析結果

1)跨中底板橫向應力見圖5。由結果輸出可見，箱梁底板橫向撓曲受拉：中部下緣最大拉應力為6.0 MPa，兩邊上緣最大拉應力為4.6 MPa。2)跨中截面豎向應力分析見圖6。總體來看，跨中截面上層混凝土豎向受拉，下層混凝土豎向受壓。并且，在鋼束部位存在應力集中，最大拉應力達到1.7 MPa。模型中未模擬波紋管預留孔，若考慮孔洞對底板的削弱，豎向拉應力將更大。

由計算結果推測，本例箱梁底板在橫向及豎向應力綜合作用下，箱梁底板將出現縱向裂縫和上下分層，最終導致大面積混凝土脫落。

4 處理措施

綜合有限元分析及現場病害表現，本例主要采用的處理措施有：跨中增加橫隔板，提高箱梁整體性，控制底板變形；加強底板上下層鋼筋的聯系，增加防崩鋼筋，預防混凝土分層。

在CD階段，釜內甲烷氣體在高壓和低溫環境的雙重作用不斷成核、生長為水合物，釜內壓力快速下降。并且在CD段不同體系的溫度曲線均出現3～4個拐點，說明此階段均出現了3～4次較快規模的水合物生成，反應過程中積聚的放熱量使釜內溫度出現了短暫的升高。隨著反應的進行，釜內的實驗曲線不斷接近相平衡曲線，說明此時釜內的甲烷水合反應已經完成，反應體系為甲烷氣-水-水合物三相狀態。

具體施工步驟：

1)放張箱梁底板全部預應力鋼束。

2)在跨中澆筑混凝土橫隔板。

3)在底板安裝防崩鋼筋，復位聯系筋、箍筋、橫向鋼筋。

4)重新立模澆筑底板混凝土。

5)混凝土養護、預應力張拉。

5 建議

基于本例處理經驗及分析結果，提出以下注意事項，建議在設計和施工時參考。

1)在設計方面： a.建議適當控制底板鋼束的規格和張拉力，尤其避免采用過大的底板鋼束。b.箱梁設計時，應加強底板配筋的驗算。c.箱梁底板厚度不宜過小，預應力鋼束橫向凈距宜適當加大。d.底板應配足上下層聯系鋼筋，并增加U形防崩鋼筋防止局部崩裂。文獻提供了聯系鋼筋和防崩鋼筋的配筋數量的計算方法，可供參考。e.變截面箱梁跨中是底板預應力徑向崩裂最容易發生的部位，可以考慮增加橫隔板或橫向加勁肋，以增強箱梁整體受力性能。

2)在施工方面：a.定位鋼筋的間距要適當加密，減少管道定位偏差。b.確保豎向聯系鋼筋施工質量，絕不能按一般撐筋控制。c.確保立模質量，避免模板出現折角突變，導致應力外崩力劇烈增大。

3)發生底板崩裂事故后，應根據其病害形式，采取有效的措施加固處理[3]：a.對于橫向撓曲病害，以加強底板橫向抗彎能力為主，如加大底板厚度、底板下緣粘貼橫向鋼板、增設橫隔板及加勁肋。b.對于上下層之間的分離病害，可采用高強螺栓夾持鋼板的方式加固。c.對于局部崩出病害，視病害嚴重程度，局部封閉和加強。

對于變截面箱梁，當底板配置預應力時，由于其徑向力的效應，容易造成底板的崩裂病害，在設計及施工中應給予重視。本例中采用的底板崩裂病害補救方法可供設計人員借鑒。

[1] 王標新,馬希田.變截面連續剛構橋跨中底板崩裂的防范措施.中外公路,2010(4)：179-181.

[2] 彭元誠.連續剛構橋箱梁底板崩裂原因分析及對策.橋梁建設，2008(3):67-78.

[3] 婁晟嘉,楊吉新.預應力混凝土連續剛構橋底板脫落成因分析.中外公路,2010(6):190-193.

On treatment and prevention measures of bursting crack in bottom slab of box girder

Bai Jinzeng Zhou Zhishi

(AnhuiCommunicationPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230000,China)

Combining with engineering examples, the paper analyzes the reasons for the bursting crack in bottom slab of box girder with the finite element simulation software, introduces the maintenance measures, and points out the precautions in the bottom slab design and construction of the concrete box girder, so it is meaningful for similar projects.

box girder, prestress, diseases

2015-09-13

白金增(1984- )，男，碩士，工程師； 周指示(1978- )，男，碩士，高級工程師

1009-6825(2015)33-0170-03

U445.71

A