連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中腹板斜裂縫成因分析及試驗(yàn)研究*

唐小兵 賈志偉 黃 愛 潘 晉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢地鐵集團(tuán)2) 武漢 430070)

連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中腹板斜裂縫成因分析及試驗(yàn)研究*

唐小兵1)賈志偉1)黃 愛2)潘 晉1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢地鐵集團(tuán)2)武漢 430070)

為了查找預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中箱梁腹板沿波紋管方向產(chǎn)生斜裂縫的原因，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉前后進(jìn)行了腹板應(yīng)力測(cè)試，并利用ANSYS軟件建立空間有限元模型，對(duì)腹板配筋率、頂板縱向預(yù)應(yīng)力變化、腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力變化、腹板豎向預(yù)應(yīng)力變化和腹板厚度變化等影響腹板裂縫出現(xiàn)的因素進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，腹板配筋率和頂板縱向預(yù)應(yīng)力不是箱梁施工過程中腹板斜裂縫的敏感因素，腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力、腹板豎向預(yù)應(yīng)力和腹板厚度對(duì)腹板斜裂縫的產(chǎn)生比較敏感.避免箱梁腹板斜裂縫發(fā)生的理想預(yù)應(yīng)力張拉順序是：先張拉頂板縱向預(yù)應(yīng)力，然后張拉腹板豎向預(yù)應(yīng)力，最后張拉腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力.

預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)橋；施工；腹板裂縫

0 引 言

在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工過程中，箱梁腹板沿波紋管方向的斜裂縫已成為常見病害之一.文獻(xiàn)[1-5]對(duì)腹板中最大主應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，文獻(xiàn)[6-8]對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉過程的腹板應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，研究結(jié)果表明，豎彎縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉造成腹板主拉應(yīng)力過大是腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因.

文中結(jié)合某特大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控，開展了腹板應(yīng)力測(cè)試、腹板鋼筋配置變化對(duì)腹板裂縫的影響、頂板縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板裂縫的影響、腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板裂縫的影響、腹板豎向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板裂縫的影響及腹板厚度變化對(duì)腹板裂縫的影響等研究工作.

1 工程實(shí)例

某大橋主橋?yàn)?8 m+2×160 m+88 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主梁采用直腹板的單箱單室箱梁，單向橫坡，箱梁頂板寬度為15.50 m，底板寬度為7.50 m，墩頂根部中心梁高10 m，底板厚度1.20 m，箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系.

在其中一個(gè)T構(gòu)對(duì)稱懸臂施工完成2#節(jié)段后，開始發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)腹板開裂，裂縫基本沿波紋管方向，隨著施工的進(jìn)展，后續(xù)澆注的節(jié)段許多都出現(xiàn)裂縫.經(jīng)檢查，全橋共發(fā)現(xiàn)斜裂縫65條，這些裂縫沒有一條伸展到與上一個(gè)節(jié)段混凝土的交界處，其中大多數(shù)裂縫分布在5#～12#節(jié)段，裂縫起始位置距離張拉端大多為500～1 000 mm、長(zhǎng)度為350～2 500 mm、平均寬度0.05～0.17 mm、平均深度16～64 mm.

斜裂縫的發(fā)生主要是在縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后，為了解腹板裂縫處的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，在該橋其中2個(gè)3 m長(zhǎng)的8#節(jié)段腹板埋設(shè)鋼弦式應(yīng)變傳感器，一組按正常設(shè)計(jì)圖紙施工的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，另一組為腹板波紋管周圍的箍筋和鋼筋網(wǎng)片加密后的應(yīng)力監(jiān)測(cè).傳感器埋設(shè)在腹板內(nèi)、外側(cè)，處于節(jié)段中間的波紋管位置并垂直于波紋管，兩組共埋設(shè)8個(gè)傳感器，見圖1.

圖1 傳感器埋設(shè)示意圖

2 空間有限元計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

根據(jù)Saint-Venant原理，預(yù)應(yīng)力張拉端的集中力僅僅影響其局部的應(yīng)力分布，同時(shí)該橋0#～3#節(jié)段空間計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果也反映預(yù)應(yīng)力張拉只是引起局部的應(yīng)力集中，因此,可以選取該橋第8#節(jié)段作為有限元建模分析對(duì)象，使用ANSYS軟件建立有限元空間模型，見圖2.該箱梁節(jié)段長(zhǎng)3 m，腹板厚75 cm，混凝土為C60，不考慮混凝土自重(預(yù)應(yīng)力張拉前節(jié)段混凝土有掛籃模板支撐，且測(cè)試結(jié)果表明混凝土澆注后腹板應(yīng)力變化很小，可以忽略)，采用的縱向頂板和腹板預(yù)應(yīng)力鋼束均為2×25Φs15.2 mm，張拉控制應(yīng)力為1 370 MPa，豎向預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼JL32張拉控制應(yīng)力837 MPa.模型中混凝土材料采用SOLID65單元，彈性模量取值36 GPa，并考慮腹板混凝土的三向配筋率.所有預(yù)應(yīng)力筋均采用LINK8單元，采用降溫方法模擬預(yù)應(yīng)力施加，由于本節(jié)段箱梁是左右對(duì)稱的，因此只需要建立一半的模型.另外，模型中不考慮預(yù)應(yīng)力孔道及張拉端局部加強(qiáng)筋的影響，在節(jié)段交界處的邊界條件主要是限制沿橋梁縱向的位移，節(jié)段對(duì)稱面則限制橫橋向位移.

圖2 第8#節(jié)段箱梁有限元模型

2.2 計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

分別對(duì)混凝土澆注前后、縱向預(yù)應(yīng)力張拉前后及豎向預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的比較,見表1，表中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力，實(shí)測(cè)初始應(yīng)力為相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常溫下的標(biāo)定值，未作歸零處理.

表1 正常設(shè)計(jì)圖紙施工狀態(tài)下實(shí)測(cè)腹板垂直于 波紋管方向應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力比較 MPa

由表1可知，澆筑混凝土和預(yù)應(yīng)力張拉前腹板垂直于波紋管方向的實(shí)測(cè)應(yīng)力很小.

縱向預(yù)應(yīng)力張拉后，腹板內(nèi)側(cè)的實(shí)測(cè)應(yīng)力平均值為2.87 MPa，接近于混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 MPa，且大于混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.96 MPa，此時(shí)，腹板混凝土容易產(chǎn)生沿波紋管方向的裂縫.實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)腹板上出現(xiàn)了2道明顯的沿腹板波紋管方向的裂縫，其長(zhǎng)度分別為56 cm和135 cm，平均寬度為0.09 mm和0.11 mm.

在豎向預(yù)應(yīng)力張拉后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力平均值為1.53 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，相對(duì)于縱向預(yù)應(yīng)力張拉后的實(shí)測(cè)值則減小了31%～43%.現(xiàn)場(chǎng)裂縫觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，腹板沿波紋管方向的裂縫在豎向預(yù)應(yīng)力張拉后，裂縫發(fā)生了閉合的現(xiàn)象.另外，豎向預(yù)應(yīng)力張拉后與張拉前相比，垂直于波紋管方向的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)該減小61%，但是實(shí)際測(cè)試結(jié)果平均值只減小了38%，這主要是豎向預(yù)應(yīng)力張拉會(huì)產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失所致，黃豪等[9]對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力張拉過程的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，豎向預(yù)應(yīng)力損失會(huì)達(dá)到50%以上，鄧志恒等[10]對(duì)3座橋的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，豎向預(yù)應(yīng)力損失可達(dá)23%～50%.

3 腹板斜裂縫影響因素分析

通過ANSYS有限元計(jì)算分析，得出如下腹板配筋率、頂板縱向預(yù)應(yīng)力變化、腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力變化、腹板豎向預(yù)應(yīng)力變化與腹板厚度變化對(duì)腹板斜裂縫的影響分析.

3.1 腹板配筋率對(duì)腹板斜裂縫影響分析

在其他條件不變的情況下，腹板配筋率與腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力關(guān)系見圖3，當(dāng)腹板配筋率從設(shè)計(jì)值的50%增大到150%時(shí)，腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力減小緩慢(從2.87 MPa減小到2.60 MPa)，這說明，增大腹板配筋率對(duì)防治腹板沿波紋管方向裂縫的作用不明顯.

圖3 腹板配筋率與垂直于波紋管方向應(yīng)力

表2是另外一個(gè)8#節(jié)段腹板波紋管周圍箍筋和腹板鋼筋網(wǎng)片加密后，對(duì)混凝土澆注前后、縱向預(yù)應(yīng)力張拉前后及豎向預(yù)應(yīng)力張拉后應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的比較.

表2 腹板波紋管周圍箍筋加密后實(shí)測(cè)腹板垂直于 波紋管方向應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力比較 MPa

比較表1～2可知，腹板波紋管周圍箍筋和鋼筋網(wǎng)片加密與不加密相比，對(duì)腹板垂直于波紋管方向應(yīng)力影響很小，4個(gè)點(diǎn)實(shí)測(cè)平均應(yīng)力從2.50 MPa減小到2.39 MPa，且現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，加密箍筋后腹板仍然出現(xiàn)了一條沿波紋管方向的裂縫，裂縫長(zhǎng)46 cm，平均寬0.13 mm.因此，腹板配筋率對(duì)于腹板斜裂縫的影響不大，腹板配筋率不是腹板裂縫的敏感性因素.

3.2 頂板縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板斜裂縫影響分析

保持腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力張拉到設(shè)計(jì)值的100%，豎向預(yù)應(yīng)力為0，分別將頂板縱向預(yù)應(yīng)力張拉到設(shè)計(jì)值的60%，80%和100%，頂板縱向預(yù)應(yīng)力與腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力關(guān)系見圖4.

圖4 頂板縱向預(yù)應(yīng)力與垂直于波紋管方向應(yīng)力

由圖4可知，當(dāng)頂板縱向預(yù)應(yīng)力從設(shè)計(jì)值的60%增大到100%時(shí)，腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力基本不變，即頂板縱向預(yù)應(yīng)力不是腹板裂縫的敏感性因素.

3.3 腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板斜裂縫影響分析

保持頂板縱向預(yù)應(yīng)力為張拉到設(shè)計(jì)值的100%和腹板豎向預(yù)應(yīng)力為0，分別將腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力張拉到設(shè)計(jì)值的60%，80%和100%，可以得到腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力變化見圖5.

圖5 腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力與垂直于波紋管方向應(yīng)力

由圖5可知，腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力越大，腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力越大，腹板容易出現(xiàn)沿波紋管方向的裂縫.因此，腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力是腹板斜裂縫產(chǎn)生的重要因素.

3.4 腹板豎向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)腹板斜裂縫影響分析

不考慮頂板和腹板縱向預(yù)應(yīng)力，分別將腹板豎向預(yù)應(yīng)力張拉到設(shè)計(jì)值的60%，80%和100%，可以得到腹板垂直于波紋管方向的應(yīng)力變化見圖6(負(fù)值表示壓應(yīng)力).

圖6 腹板豎向預(yù)應(yīng)力與垂直于波紋管方向應(yīng)力

由圖6可知，腹板豎向預(yù)應(yīng)力越大，腹板垂直于波紋管方向的壓應(yīng)力就越大，此壓應(yīng)力可以有效減小由腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力引起的垂直于波紋管方向的混凝土拉應(yīng)力.

3.5 腹板厚度變化變化對(duì)腹板斜裂縫影響分析

保持縱向預(yù)應(yīng)力及腹板豎向預(yù)應(yīng)力均為100%，改變腹板厚度進(jìn)行計(jì)算，可以得到腹板垂直于波紋管方向的應(yīng)力變化見圖7.

圖7 腹板厚度與垂直于波紋管方向應(yīng)力

由圖7可知，腹板厚度越大，腹板垂直于波紋管方向的拉應(yīng)力越小.因此，增大腹板厚度對(duì)于預(yù)防腹板斜裂縫的發(fā)生有明顯效果.

4 結(jié) 論

1) 增大腹板波紋管周圍箍筋配筋率和(或)加密腹板鋼筋網(wǎng)片對(duì)防治箱梁施工過程中腹板沿波紋管方向斜裂縫的作用效果不明顯.

2) 頂板縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)腹板斜裂縫產(chǎn)生與否基本沒有關(guān)系.

3) 腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力張拉會(huì)引起腹板內(nèi)產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力，容易引起腹板斜裂縫的發(fā)生，需要給予足夠重視.

4) 雖然增加腹板厚度對(duì)于防止斜裂縫的發(fā)生有一定幫助，但是，節(jié)段重量增加會(huì)導(dǎo)致全橋結(jié)構(gòu)受力變化及建設(shè)成本加大，需要慎重考慮.

5) 在張拉腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力前進(jìn)行腹板豎向預(yù)應(yīng)力的張拉可有效防治斜裂縫的發(fā)生，在條件允許的情況下，預(yù)應(yīng)力張拉的理想順序是：頂板縱向預(yù)應(yīng)力張拉→腹板豎向預(yù)應(yīng)力初張拉→腹板豎彎縱向預(yù)應(yīng)力張拉，兩個(gè)節(jié)段以后再進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力張拉和腹板豎向預(yù)應(yīng)力二次張拉.

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Analysis of Formation Causes and Experimental Study on the Diagonal Cracks in the Web of Continuous Rigid Frame Bridge During Construction

TANG Xiaobing1)JIA Zhiwei1)HUANG Ai2)PAN Jin1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanMetroGroup,Wuhan430070,China)2)

In order to explore the reason that cracks are discovered along the bellows direction on the girder construction process of pre-stressed concrete continuous rigid frame bridge, the stress of the web are tested before and after the pre-stressed tensioning, and the space finite element model is established by using ANSYS software for analyzing the reinforcement ratio of the web, the change of longitudinal pre-stressing of the roof, the change of vertical bending longitudinal pre-stressing of the web, the change of the vertical pre-stressing and the thickness of the web. The results show that reinforcement ratio of the web and longitudinal pre-stressing of the roof are not the sensitive factors for the inclined cracks in webs of the process of construction. The vertical bending longitudinal pre-stressing of the web, vertical pre-stress and thickness of the web are found to be the sensitive factors for generating the cracks. In order to avoid the occurrence of diagonal cracks in the web of box girder, the ideal sequence about pre-stressed tensioning is: first, tensioning the longitudinal pre-stressing of the top plate, and then tensioning the vertical pre-stressing of the web, tensioning vertical bending longitudinal pre-stressing of the web at the end.

prestressed concrete; continuous rigid frame bridge; construction; web crack

2016-12-20

*國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目資助(51609192)

U448

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.004

唐小兵(1956—)：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、工程力學(xué)中的反問題、橋梁健康監(jiān)測(cè)的橋梁施工控制