連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫成因分析及防治措施

陳　成

(咸寧市咸安區(qū)公路管理局　咸寧　437000)

連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫成因分析及防治措施

陳成

(咸寧市咸安區(qū)公路管理局咸寧437000)

摘要針對連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土開裂，特別是箱梁底板裂縫的病害成因，對連續(xù)剛構(gòu)橋底板預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行受力分析，分別從設(shè)計、施工等方面討論了裂縫的產(chǎn)生機理。針對不同的成因，提出了相應(yīng)的防治措施，主要包括優(yōu)化設(shè)計、材料選擇、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量等。

關(guān)鍵詞連續(xù)剛構(gòu)橋底板預(yù)應(yīng)力筋裂縫成因防治措施

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)，具有很多優(yōu)點[1]。而梁體開裂則是影響連續(xù)剛構(gòu)使用的病害之一。因此，需要調(diào)查和分析各種裂縫發(fā)生的原因，提出相應(yīng)合理的解決措施減少這種病害，從而提高我國橋梁建設(shè)品質(zhì)。

國內(nèi)有不少學(xué)者以體外預(yù)應(yīng)力在連續(xù)剛構(gòu)橋加固中的應(yīng)用為例，分析了裂縫情況和病害原因，運用了體外預(yù)應(yīng)力加固方法，對箱梁結(jié)構(gòu)的豎向位移和混凝土應(yīng)力進(jìn)行分析計算[2-3]。本文對連續(xù)剛構(gòu)橋底板預(yù)應(yīng)力筋受力和箱梁底板開裂的原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的防治措施。

1底板預(yù)應(yīng)力筋受力及裂縫成因分析

1.1　底板預(yù)應(yīng)力筋受力分析

橋梁規(guī)范規(guī)定[4]：按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，預(yù)應(yīng)力應(yīng)作為荷載計算其效應(yīng)。對于變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，在張拉預(yù)應(yīng)力筋時，必然使截面產(chǎn)生與使用荷載作用方向相同的附加荷載即均布橫向力，稱為附加荷載效應(yīng)，設(shè)計時應(yīng)充分考慮。當(dāng)鋼束在平面或縱面上曲線布置時，具有橫向或縱向曲率的縱向預(yù)應(yīng)力筋束在張拉過程中會產(chǎn)生對腹板或底板混凝土的徑向壓力。下面來分析連續(xù)剛構(gòu)橋按橋的立面線形布置的預(yù)應(yīng)力筋對底板產(chǎn)生的效應(yīng)。

取一小段底板預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行分析，其受力情況見圖 1，在S-S軸上列力的平衡方程為

(1)

一般情況θ很小近似取sinθ≈θ，得

(2)

圖1　微段預(yù)應(yīng)力筋受力分析示意圖

從式(2)可以得到：①徑向力q(x)隨變截面箱梁底板的預(yù)應(yīng)力筋曲率半徑的增大而減??；②若剛構(gòu)橋的箱梁高度以及箱梁底板厚度按拋物線變化(見圖2)，拋物線方程為y=axb，經(jīng)過(l/2，h)時，得y=h(2x/l)b，根據(jù)半徑公式R=( 1+y’2)2/y”, 代入式(2) 得：

(3)

圖2　預(yù)應(yīng)力筋張拉引起的徑向力示意圖

一般情況1

1.2　裂縫的成因

結(jié)合底板的預(yù)應(yīng)力筋受力分析，連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫主要是由于底板鋼束沿梁底曲線布置，其對底板必然產(chǎn)生一個曲線徑向力，當(dāng)這個力過大時，就有可能產(chǎn)生裂縫[5]；另一方面，鋼束出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時，對底板有應(yīng)力集中的不利影響。

1.2.1設(shè)計方面

(1) 未采用橫向預(yù)應(yīng)力。箱梁底板在垂直平面處具有一定的彎曲率，因此，預(yù)應(yīng)力鋼束必須要按照這種曲率來布置。根據(jù)預(yù)應(yīng)力的等效載荷原理，鋼束的曲率會產(chǎn)生一個向下的載荷，這種載荷必然會受到腹板之間底板的橫向彎曲的抵抗，見圖3。此時，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力束不足或者底板截面尺寸過小時就會導(dǎo)致底板產(chǎn)生縱向裂縫。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承受軸向力時，軸向力長度會受到彈性壓縮會縮短，在與其垂直的方向則會由于材料的泊松比而發(fā)生拉應(yīng)力的變化。 當(dāng)正應(yīng)力的儲備值過高時，其垂直方向的拉應(yīng)力就會發(fā)生較大的變化，這時就有可能會沿著預(yù)應(yīng)力管道出現(xiàn)裂縫，引起嚴(yán)重的后果。

圖3　底板預(yù)應(yīng)力筋受力簡圖

(2) 橋梁結(jié)構(gòu)自重引起的上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力是一定的，預(yù)應(yīng)力的大小可以導(dǎo)致不同的內(nèi)力分布，能改變上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。以往的橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員一直忽視了上部結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分布對橋梁運營時效彈性下?lián)系挠绊憽Ｄ壳斑B續(xù)剛構(gòu)橋的分析計算多采用平面桿系程序。該類分析軟件能夠分析由預(yù)應(yīng)力、收縮徐變及溫度引起的結(jié)構(gòu)縱向彎曲變形時結(jié)構(gòu)的受力，然而，對于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，剪力滯效應(yīng)是會發(fā)生變化的，在整體分析計算時，平面桿系程序很難精確模擬這種變化，使得計算結(jié)果與實際受力情況存在一定偏差。設(shè)計理論、假設(shè)狀態(tài)與箱梁實際受力狀態(tài)不一致是普遍存在的問題，由此導(dǎo)致的應(yīng)力把握不準(zhǔn)，同樣會造成箱梁發(fā)生開裂。

1.2.2施工方面

(1) 混凝土的強度未達(dá)到設(shè)計要求。這主要是施工工藝上的原因。還有可能是因為工期過于緊張，施工單位需要搶工期，而在混凝土齡期未達(dá)到設(shè)計要求時就張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，導(dǎo)致了箱梁底板縱向裂縫的產(chǎn)生。

(2) 鋼束定位成折線形。預(yù)應(yīng)力管道在梁段上的位置與設(shè)計圖紙理論位置不符， 很可能將原先設(shè)計的圓弧形或拋物線形鋼束定位成線形，導(dǎo)致折點處應(yīng)力集中，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于設(shè)計要求的應(yīng)力，使底板局部開裂。

(3) 合龍時存在合龍高差。對懸澆施工的橋梁，設(shè)計者往往是按理想狀態(tài)對橋梁進(jìn)行設(shè)計，橋梁合龍時兩懸臂端合龍高差為0。由于施工中存在不確定影響因素， 加上沒有進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制， 實際合龍時兩懸臂端都存在一定的合龍高差，有時甚至達(dá)到幾厘米。此時如不采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理就合龍，則很可能出現(xiàn)上述第二點的情況，使底板局部剝落或開裂。

2防治措施

2.1　設(shè)計方面

底板裂縫會使主梁剛度降低，撓度加大，從而進(jìn)一步引起梁體開裂。高跨比是影響主梁受力的主要參數(shù)，適當(dāng)?shù)卦龃罅桓?，可以加大主梁剛度，使主梁?yīng)力狀態(tài)明顯改善[6]。

鑒于連續(xù)剛構(gòu)橋l/4跨截面剪應(yīng)力較大，可優(yōu)化梁底線形，適當(dāng)減小拋物線次數(shù)，以增加該處截面高度，這對于避免出現(xiàn)裂縫十分有利。

適當(dāng)增加箱梁底板的厚度和合龍段附近的底板橫向鋼筋，使底板有足夠的強度抵抗底板所受的最大彎矩，同時底板應(yīng)配置抵抗徑向力的箍筋，即上下2層鋼筋之間增設(shè)強勁的蹬筋連接，以增強上下層鋼筋的整體性。

2.2　施工方面

連續(xù)剛構(gòu)橋的施工主要是采用掛籃施工，在施工中控制施工質(zhì)量是非常重要的，主要采取以下措施：

(1) 施工單位應(yīng)重視鋼束的定位，適當(dāng)加密波紋管的定位鋼筋，防止鋼束成折線形布置。

(2) 預(yù)應(yīng)力在張拉前，混凝土的強度應(yīng)達(dá)到90%以上，有條件的情況下，混凝土強度應(yīng)達(dá)到100%再完成張拉。

(3) 大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中一定要進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)控，保證兩懸臂端的合龍精度，減小因合龍段高差帶來的鋼束轉(zhuǎn)折， 同時密切關(guān)注底板是否有縱向裂縫，以便盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題。

3結(jié)語

通過對連續(xù)剛構(gòu)橋底板預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行的受力分析，總結(jié)了底板裂縫在施工方面和設(shè)計方面的主要成因，并提出了相應(yīng)防治措施。關(guān)鍵是設(shè)計時應(yīng)認(rèn)真驗算，合理布置底板構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力束，確定合理的底板厚度；施工時，精確定位波紋管的理論設(shè)計位置，盡量減少兩懸臂端的合龍高差，確保施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]王勇.某連續(xù)剛構(gòu)橋病害分析及加固方法的研究[J]．山西建筑，2007，33(31)：314-315．

[3]馮鵬程.連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題的探討[J].橋梁建設(shè)，2009(6)：46-49．

[4]萬國朝,黃邦本.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁分段施工和設(shè)計[M]．北京：人民交通出版社，1984．

[5]楊古新，楊吉旺，李克銀.預(yù)應(yīng)力空心板數(shù)值分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2007(5)：827-830.

[6]JTGD62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004．

Causes Analysis and Treatment Measures of Crack on

Box Bottom Slab of Continuous Rigid Frame Bridges

ChenCheng

(Highway Management Department of Xian'an District, Xianning 437000, China)

Abstract：According to the concrete cracking of continuous rigid frame bridge, especially the causes of crack of box girder floor, bottom prestress tendon of continuous rigid frame is analyzed with mechanics. Mechanisms of crack formation are discussed from the aspects of design, construction respectively. According to different causes, the corresponding prevention measures are put forward, including optimized design, material selection, and control construction quality, etc.

Key words:continuous rigid frame bridge; bottom prestress tendon; causes of crack; treatment measures

收稿日期：2015-03-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.017