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(guī)劃設(shè)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(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

結(jié)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(shè)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(yù)應(yīng)力，病害

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有跨越能力強、適用性好、節(jié)省材料等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大、中跨橋梁上部結(jié)構(gòu)中。常用的預(yù)應(yīng)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(yīng)用。

近年來，變截面連續(xù)箱梁在底板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時頻頻出現(xiàn)底板混凝土崩落的現(xiàn)象，引起橋梁工程人員對這一問題的關(guān)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(yù)應(yīng)力的徑向外崩力，徑向力主要來自于鋼束的設(shè)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(xiàn)橫向撓曲，中部下緣和支點上緣受拉。當混凝土應(yīng)變超出材料極限時，則出現(xiàn)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(xiàn)上下層分離的趨勢。當徑向力大于混凝土粘結(jié)力和聯(lián)系鋼筋的拉力時，底板混凝土將出現(xiàn)開裂分層，箱梁表現(xiàn)為大面積起鼓或大塊脫離。當預(yù)應(yīng)力管道布置密集時，管道對截面的削弱較大，更容易出現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量存在缺陷時，較易出現(xiàn)。

2 病害實例

2.1 橋梁總體布置

某跨河橋主橋為3跨剛構(gòu)橋，縱向分孔為(33+50+33)m。主墩為墩梁固結(jié)的斜腿剛構(gòu)，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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)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(yù)應(yīng)力布置見圖2。

2.2 病害情況

箱梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計采用先頂板后底板的順序?qū)ΨQ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(xiàn)崩裂，施工單位隨即停止張拉操作。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，箱室內(nèi)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(cè)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?lián)?，與底板混凝土完全分離；底板底層鋼筋網(wǎng)縱向鋼筋受壓屈曲，橫向鋼筋下?lián)蠂乐兀装迓?lián)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(tài)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(jié)構(gòu)建模，考慮自重和預(yù)應(yīng)力外荷載。模型假定施工狀態(tài)與設(shè)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(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Link8單元模擬。

3.2 分析結(jié)果

1)跨中底板橫向應(yīng)力見圖5。由結(jié)果輸出可見，箱梁底板橫向撓曲受拉：中部下緣最大拉應(yīng)力為6.0 MPa，兩邊上緣最大拉應(yīng)力為4.6 MPa。2)跨中截面豎向應(yīng)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(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力達到1.7 MPa。模型中未模擬波紋管預(yù)留孔，若考慮孔洞對底板的削弱，豎向拉應(yīng)力將更大。

由計算結(jié)果推測，本例箱梁底板在橫向及豎向應(yīng)力綜合作用下，箱梁底板將出現(xiàn)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(xiàn)場病害表現(xiàn)，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(lián)系，增加防崩鋼筋，預(yù)防混凝土分層。

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

具體施工步驟：

1)放張箱梁底板全部預(yù)應(yīng)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(fù)位聯(lián)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(yǎng)護、預(yù)應(yīng)力張拉。

5 建議

基于本例處理經(jīng)驗及分析結(jié)果，提出以下注意事項，建議在設(shè)計和施工時參考。

1)在設(shè)計方面： a.建議適當控制底板鋼束的規(guī)格和張拉力，尤其避免采用過大的底板鋼束。b.箱梁設(shè)計時，應(yīng)加強底板配筋的驗算。c.箱梁底板厚度不宜過小，預(yù)應(yīng)力鋼束橫向凈距宜適當加大。d.底板應(yīng)配足上下層聯(lián)系鋼筋，并增加U形防崩鋼筋防止局部崩裂。文獻提供了聯(lián)系鋼筋和防崩鋼筋的配筋數(shù)量的計算方法，可供參考。e.變截面箱梁跨中是底板預(yù)應(yīng)力徑向崩裂最容易發(fā)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(lián)系鋼筋施工質(zhì)量，絕不能按一般撐筋控制。c.確保立模質(zhì)量，避免模板出現(xiàn)折角突變，導致應(yīng)力外崩力劇烈增大。

3)發(fā)生底板崩裂事故后，應(yīng)根據(jù)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(shè)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?shù)装迮渲妙A(yù)應(yīng)力時，由于其徑向力的效應(yīng)，容易造成底板的崩裂病害，在設(shè)計及施工中應(yīng)給予重視。本例中采用的底板崩裂病害補救方法可供設(shè)計人員借鑒。

[1] 王標新,馬希田.變截面連續(xù)剛構(gòu)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(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板崩裂原因分析及對策.橋梁建設(shè)，2008(3):67-78.

[3] 婁晟嘉,楊吉新.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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