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(jì)70年代開(kāi)始,中國(guó)公路上開(kāi)始修建大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋得到了迅猛發(fā)展,現(xiàn)已成為中國(guó)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些單箱雙室箱梁施工期發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象,特別是1號(hào)塊,2號(hào)塊的腹板下部位置,通常會(huì)開(kāi)裂。

最早研究箱梁腹板開(kāi)裂問(wèn)題的是林同炎,他針對(duì)1979年和1982年美國(guó)Las-Lomas橋和Kapiolani立交橋腹板開(kāi)裂事故進(jìn)行了分析研究,指出早期預(yù)應(yīng)力箱梁橋的設(shè)計(jì)忽略了預(yù)應(yīng)力徑向力對(duì)腹板的不利作用[1-3]。在認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題后,Caltrans[4]在20世紀(jì)80年代對(duì)此類曲線預(yù)應(yīng)力箱梁橋的腹板厚度、鋼束布置以及防崩鋼筋設(shè)置等問(wèn)題進(jìn)行了研究,制定了供設(shè)計(jì)使用的圖表。此后的預(yù)應(yīng)力曲線箱梁橋設(shè)計(jì)中,人們都采取了特別措施防止此類問(wèn)題的發(fā)生,我國(guó)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)人員也對(duì)防止腹板開(kāi)裂的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行了總結(jié)和研究[5-7]。但是目前通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),單箱雙室這種箱梁結(jié)構(gòu)的裂縫成因分析方面的文獻(xiàn)相對(duì)較少。

2 背景橋梁

橋梁工程上部結(jié)構(gòu):2×(3×50)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制連續(xù) T梁+(90+4×160+90)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+2×(4×50)+(3×50)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制連續(xù)T梁+(5×30+30)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁。

橋梁工程下部結(jié)構(gòu):柱式墩、薄壁空心墩、肋式臺(tái)、樁基礎(chǔ)。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(tái)57個(gè),墩柱30個(gè),薄壁空心墩54個(gè),蓋梁46個(gè),主橋連續(xù)剛構(gòu)6跨,預(yù)制30 m箱梁 60片,預(yù)制 50 m T梁272片,共計(jì)混凝土22萬(wàn) m3,鋼筋3萬(wàn)t,預(yù)應(yīng)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(fā)生類型

1)一些1號(hào)塊和2號(hào)塊的中腹板出現(xiàn)縱向水平裂縫。2)裂縫長(zhǎng)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(xiàn)場(chǎng)傳感器埋設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫調(diào)查結(jié)果,采取混凝土傳感器布設(shè)方案,1號(hào)～9號(hào)傳感器按照一定的空間在平面內(nèi)等間距排列(見(jiàn)圖2),這樣能夠有效監(jiān)測(cè)裂縫開(kāi)裂、擴(kuò)展對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。

4.1 箱梁中溫度測(cè)試結(jié)果

每隔30 min進(jìn)行溫度應(yīng)力測(cè)試,采集時(shí)間共計(jì)500 h,具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

4.2 箱梁中應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

1)混凝土彈性模量變化規(guī)律。假定混凝土澆筑后彈性模量是隨時(shí)間變化的光滑連續(xù)函數(shù),用如下的指數(shù)函數(shù)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(guī)范取值即可;β,α均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)彈性模量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);t為混凝土齡期,d。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值,可以推導(dǎo)出彈性模量表達(dá)式如下:

實(shí)測(cè)值和理論值的比較見(jiàn)圖4。

2)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。參照CEB-FIP(歐洲混凝土協(xié)會(huì)規(guī)范),考慮現(xiàn)場(chǎng)裂縫調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),混凝土裂縫出現(xiàn)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(yīng)力導(dǎo)致,箱梁中腹板模板拆模時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)控制在混凝土澆筑后1天,所以通過(guò)混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線,可以求得1 d時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度為15 MPa,則抗拉強(qiáng)度可取1.5 MPa。

3)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析。采用增量算法,考慮混凝土彈性模量的時(shí)變效應(yīng),混凝土強(qiáng)度的時(shí)變效應(yīng),通過(guò)分析應(yīng)力時(shí)程曲線,發(fā)現(xiàn)1,2和3號(hào)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都相比其余的測(cè)點(diǎn)要大,且其數(shù)值接近混凝土24 h的抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

1)混凝土澆筑后發(fā)生了水化熱反應(yīng),溫度升高30℃左右。2)9個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大溫度發(fā)生在25 h左右。3)從9個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線分析,4,5和6號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度差比其余測(cè)點(diǎn)要高些,而從實(shí)際箱梁的裂縫調(diào)查結(jié)果來(lái)看,4,5和6號(hào)測(cè)點(diǎn)剛好為1號(hào)箱梁中腹板裂縫出現(xiàn)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(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線來(lái)看,24 h剛好為混凝土水化熱最為充分的時(shí)間段,此時(shí)拆模帶來(lái)的最大問(wèn)題就是箱梁中腹板內(nèi)溫度和環(huán)境溫度相差會(huì)比較大,因?yàn)閺臏囟葧r(shí)程曲線來(lái)看,最高溫度為50℃,一般只有夏季炎熱時(shí)間段,大氣溫度能達(dá)到30℃左右,所以工程上應(yīng)該延緩箱梁1號(hào)塊、2號(hào)塊的模板拆模時(shí)間。5)從溫度時(shí)程曲線分析來(lái)看,3 d左右時(shí),混凝土溫度會(huì)降低到30℃左右,此時(shí)拆模能夠有效控制內(nèi)外溫差。6)距離單箱雙室內(nèi)箱梁底板1.8 m高處中腹板的1,2和3號(hào)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都相比其余的測(cè)點(diǎn)要大,且其數(shù)值接近混凝土24 h的抗拉強(qiáng)度。因此該位置較容易開(kāi)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(ài)梅,孫廣華.曲線梁橋預(yù)應(yīng)力鋼索側(cè)向崩出的預(yù)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(shè)計(jì)對(duì)策[J].中外公路,2005,25(4):102-105.

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