連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁橋底板裂縫成因及處治分析

王　坤

(新疆交通科學(xué)研究院，新疆　烏魯木齊　830000)

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連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁橋底板裂縫成因及處治分析

王坤

(新疆交通科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000)

摘要：文章依托某混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋工程，針對箱梁底板澆筑施工過程中出現(xiàn)的底板縱向裂縫，通過預(yù)埋傳感器來量測箱梁養(yǎng)護期間的溫度和應(yīng)力，并借助有限元軟件建模，計算不同荷載條件下的應(yīng)力分布，分析引起箱梁底板縱向裂縫的原因，同時提出了相應(yīng)的裂縫處治方案。

關(guān)鍵詞：箱梁橋；有限元；底板縱向裂縫；處治措施

0引言

變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因具有結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順、伸縮縫少和養(yǎng)護簡單等特點，而成為公路橋梁建設(shè)中最主要橋型之一。但大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的大量修建，亦暴露了一些問題。對我國大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁病害進行調(diào)研，均存在不同程度的跨中下?lián)?、腹板和底板開裂現(xiàn)象，對大橋的運營安全產(chǎn)生隱患。為此，在許多大跨徑連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計中都增大了中跨底板合攏鋼束數(shù)量，希望能夠改善跨中箱梁的上下緣應(yīng)力和撓度過大問題。相當(dāng)一部分橋梁在底板合攏鋼束張拉后甚至尚未全部張拉完時就出現(xiàn)跨中底

板混凝土向下崩出的問題。所以，對底板縱向裂縫產(chǎn)生原因、改善措施的研究是很有必要的。本文依托某混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋工程，針對箱梁底板澆筑施工過程中出現(xiàn)的底板縱向裂縫，分析引起箱梁底板縱向裂縫的原因，并提出了相應(yīng)的處治措施。

1工程簡介

某公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑組合為(48+95+48)m，主梁采用變截面單箱雙室斷面，箱梁頂板寬19.8 m，底板寬12.0 m，兩側(cè)翼緣板長各3.9 m，設(shè)單向2%橫坡。墩頂梁高為9.0 m，跨中及邊支點梁高3.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚0.26 m，底板厚由墩頂附近的1.05 m按二次拋物線漸變至跨中的0.30 m，腹板厚度由墩頂至跨中分別為0.70 m、0.55 m、0.40 m以適應(yīng)全橋的剪力變化。

箱梁及主墩均采用C55混凝土，主梁結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，其中縱向和橫向均為預(yù)應(yīng)力鋼絞線，豎向采用精軋紋鋼。全橋采用掛籃懸臂施工方式，墩頂0#塊長度為12 m，對稱懸澆1#～17#塊，節(jié)段長度劃分為(3×3.0+7×3.5+8×4)m，合龍段長為2.0 m，懸臂澆注節(jié)段最大荷重為3 150 kN。

在連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆注7#節(jié)段過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員檢查發(fā)現(xiàn)箱梁底板下緣產(chǎn)生了較多的縱向裂縫，裂縫在1#～6#節(jié)段均有所分布，以1#和2#節(jié)段最為嚴重，裂縫的數(shù)量和長度均有減小的趨勢，箱梁底板裂縫分布如圖1所示。經(jīng)過現(xiàn)場測量及統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，底板的裂縫主要沿縱向分布，但在縱向的節(jié)段間均未貫通，均起自該節(jié)段與上一節(jié)段接縫處并向懸臂端延伸；裂縫長度在0.5～2.5 m區(qū)間了變化；裂縫寬度均在0.20 mm以下，除少數(shù)裂縫達0.18 mm，大部分均<0.15 mm。

以小里程側(cè)主墩T構(gòu)為例，其中2#節(jié)段底板裂縫見圖1(a)，該節(jié)段共產(chǎn)生3條主要裂縫，其裂縫長度在1.45～1.70 m，裂縫寬度則在0.11～0.16 mm，均從節(jié)段分界線處開始；3#節(jié)段縱向預(yù)應(yīng)力張拉完畢并將掛籃行走至該節(jié)段錨固后，該節(jié)段的裂縫分布如圖1(b)所示，其裂縫長度在1.42～1.88 m，最大裂縫寬度達0.15 mm。對于已經(jīng)完成澆注的1#～6#節(jié)段，其底板均出現(xiàn)分布規(guī)律類似的縱向裂縫。

(a)2#節(jié)段

(b)3#節(jié)段

對比主梁單箱雙室截面腹板布置發(fā)現(xiàn)，在箱梁腹板區(qū)域底板并未出現(xiàn)裂縫，且裂縫均以節(jié)段線為起點向懸臂端發(fā)展，并統(tǒng)一偏向道路設(shè)計中心線一側(cè)，呈不對稱分布。在現(xiàn)澆梁段混凝土后及裂縫產(chǎn)生前，僅張拉了節(jié)段縱向預(yù)應(yīng)力束后即實施掛籃前移施工，此時的橫向和豎向預(yù)應(yīng)力均未完成張拉。

2裂縫成因分析

現(xiàn)有研究表明[1-4]，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋底板產(chǎn)生裂縫的原因主要有：預(yù)應(yīng)力布置及張拉順序不合理、掛籃支間點的相對變形、混凝土箱梁存在溫差、大體積混凝土水化熱效應(yīng)及混凝土收縮效應(yīng)等。針對該橋施工階段出現(xiàn)的裂縫及分布情況，結(jié)合施工監(jiān)控數(shù)據(jù)，初步分析上述各類裂縫成因均有可能是此次病害形成的原因，需通過現(xiàn)場監(jiān)測配合數(shù)值計算，進一步研究確定裂縫產(chǎn)生的原因。

2.1現(xiàn)場監(jiān)測

裂縫的產(chǎn)生根本原因是該區(qū)域該方向的混凝土拉應(yīng)力過大，為探明導(dǎo)致箱梁混凝土拉應(yīng)力產(chǎn)生機理，以8#節(jié)段為試驗段，在箱梁底板內(nèi)預(yù)埋溫度和應(yīng)力傳感器，對現(xiàn)澆節(jié)段混凝土的澆注及養(yǎng)護過程中的溫度和應(yīng)力進行監(jiān)測。由于應(yīng)力測量元件的工作原理是通過應(yīng)變和彈模換算得到應(yīng)力，為區(qū)分混凝土溫度變化對應(yīng)力產(chǎn)生影響，應(yīng)注意選用帶溫度測量功能的元件，混凝土應(yīng)力計算時需通過實測溫度對結(jié)果進行修正。

基于箱梁底板裂縫開展情況和懸澆施工結(jié)構(gòu)的受力，應(yīng)力測量元件布置在現(xiàn)澆節(jié)段的根部附近；為準確了解箱梁混凝土在養(yǎng)護過程中的溫度分布，在距已澆節(jié)段0.8 m處斷面內(nèi)橫向布置3個測點，分別位于兩側(cè)箱室的中部以及腹板下方。為確保測點位置的準確性，將測量元件固定于普通鋼筋網(wǎng)上，并采取必要的隔熱措施防止鋼筋溫度傳遞造成誤差。

小里程側(cè)主墩T構(gòu)的8#節(jié)段混凝土澆注完成并初凝后，針對其底板溫度和橫向應(yīng)力進行監(jiān)測，監(jiān)測時間分別為每天的06：00和14：00，各個測點的溫度及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　底板溫度變化曲線圖

圖3　底板橫向應(yīng)力變化曲線圖

圖2中的底板溫度數(shù)據(jù)表明，箱梁內(nèi)預(yù)埋的各測點的溫度值具有相同的變化趨勢，均為先增后減，且溫度值最高點均在混凝土澆注第三天的06：00。至混凝土澆注第六天，箱梁結(jié)構(gòu)底板內(nèi)的溫度值與環(huán)境溫度相近，在箱梁截面內(nèi)的不同測點溫度存在較大差異，溫差可達6.0 ℃。

混凝土澆注完成后，各個測點的橫向溫度應(yīng)力如圖3所示。應(yīng)力測量元件為精密元件，在測點布置完成后的鋼筋焊接、模板調(diào)整、混凝土澆注、振搗等工序均有可能對應(yīng)力傳感器造成影響，圖3中的大里程2#測點的應(yīng)力值與其他部位的應(yīng)力值對比可知，該測點的應(yīng)力值與其他測點相差較大，其量值可能失真。分析其他測點應(yīng)力變化曲線可知，混凝土澆注完成后第三天下午時刻的橫向應(yīng)力達到極值，此時的最大拉應(yīng)力達0.85 MPa，而混凝土初凝完成但其強度仍較低，箱梁底板在橫向拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生縱向裂縫。

2.2數(shù)值計算

基于大型通用有限元ANSYS軟件平臺，建模分析箱梁2#、3#節(jié)段的受力。其中混凝土采用實體單元，預(yù)應(yīng)力束采用線單元，采用線單元降溫法施加結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力?；炷敛牧铣跄蟮氖湛s效應(yīng)按規(guī)范計算，并通過混凝土降溫進行模擬計算。

基于現(xiàn)有研究及實測分析，針對以下荷載工況進行計算分析：結(jié)構(gòu)自重+掛籃不對稱變形(工況1)，結(jié)構(gòu)自重+非對稱張拉預(yù)應(yīng)力(工況2)，結(jié)構(gòu)自重+結(jié)構(gòu)梯度溫度(工況3)。

2.2.1掛籃變形工況

通過實測監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析，確定掛籃前支點處的不對稱變形值為5 mm，并采用桿單元模擬掛籃結(jié)構(gòu)，計算結(jié)構(gòu)在掛籃變形條件下的受力情況。掛籃變形工況下的2#、3#節(jié)段主應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4中的節(jié)段應(yīng)力分布表明，2#、3#節(jié)段的受力較好。特別是底板區(qū)域，除非常有限的區(qū)域受拉以外，底板基本均為受壓狀態(tài)。據(jù)此可以確定，排除掛籃變形是導(dǎo)致底板下緣裂縫成因的可能。

圖4　掛籃變形工況下節(jié)段第一主應(yīng)力圖(單位：Pa)

2.2.2非對稱張拉預(yù)應(yīng)力工況

通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力束降溫值及步驟以實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力的非對稱張拉的模擬，非對稱張拉預(yù)應(yīng)力工況條件下的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5　非對稱張拉預(yù)應(yīng)力工況下節(jié)段第一主應(yīng)力圖(單位：Pa)

由圖5中的節(jié)段主應(yīng)力分布可以看出，左側(cè)先行張拉完成預(yù)應(yīng)力而右側(cè)尚未張拉的條件下，會引起右側(cè)未張拉區(qū)域底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力水平較低，最大僅為57 kPa，遠低于可能導(dǎo)致混凝土開裂的拉應(yīng)力水平。此時，底板上下緣受力相差較大，底板上緣均受壓，僅底板下緣局部區(qū)域存在拉應(yīng)力。故非對稱張拉預(yù)應(yīng)力不是底板縱向裂縫的主要成因。

2.2.3結(jié)構(gòu)梯度溫度工況

結(jié)合現(xiàn)場實測溫度曲線確定最不利工況條件下的箱梁結(jié)構(gòu)梯度溫度值，混凝土初凝后底板下緣的溫度值在水化熱等作用下達到55 ℃，而底板上緣的環(huán)境溫度為20 ℃，假設(shè)底板內(nèi)部溫度沿厚度方向線性變化，計算整體達到20 ℃時的結(jié)構(gòu)受力情況。實際建模計算時，僅需輸入相對溫度即可，即將環(huán)境溫度設(shè)定為0 ℃，再輸入結(jié)構(gòu)的相對溫度。結(jié)構(gòu)溫差工況下節(jié)段的主應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6　結(jié)構(gòu)溫差工況下節(jié)段第一主應(yīng)力圖(單位：Pa)

由圖6中的應(yīng)力分布可以看出，箱梁節(jié)段的第一主應(yīng)力擴散方向與現(xiàn)場實測的裂縫方向相吻合，均由節(jié)段施工縫處向懸臂端方向延伸。該工況條件下，新舊節(jié)段結(jié)合處的拉應(yīng)力水平達4.8 MPa，遠高于混凝土開裂拉應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)溫差完全能引起箱梁底板開裂。針對現(xiàn)場實測裂縫隨節(jié)段推進有遞減的規(guī)律，箱梁底板厚度沿縱向呈拋物線分布，越靠近跨中底板厚度越小，而混凝土水化熱引起的溫度值越低，從而減小了溫度梯度，底板的裂縫也隨之減少。基于現(xiàn)場的裂縫、溫度、應(yīng)力實測規(guī)律與有限元計算結(jié)果的對比可以確定，結(jié)構(gòu)溫差是引起箱梁底板下緣縱向裂縫的主要成因。

3處治措施

通過實測及有限元計算結(jié)果可知，箱梁懸澆過程中底板下緣出現(xiàn)縱向裂縫的主要成因為底板混凝土水化熱引起的結(jié)構(gòu)溫度梯度作用，而掛籃變形及混凝土收縮只是次要因素。因此，防止箱梁底板下緣開裂的有效方法是控制底板內(nèi)的溫度分布，特別是底板上下緣及底板內(nèi)的溫差，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)大的梯度溫度，故結(jié)構(gòu)在澆注混凝土后應(yīng)重點關(guān)注養(yǎng)護條件。針對箱梁底板出現(xiàn)的縱向裂縫，采取了以下處治措施：

(1)在明確裂縫成因后及時采取措施對裂縫進行封堵，并在后續(xù)的懸澆過程中注意養(yǎng)護工作，及時澆水保濕并適當(dāng)延長養(yǎng)護時間，并由專人負責(zé)。在冬季施工時應(yīng)在箱室內(nèi)進行熱蒸汽養(yǎng)護，在箱室外側(cè)設(shè)置相應(yīng)的保溫放熱措施，避免結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)較大的溫差。

(2)基于結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算，加強箱梁結(jié)構(gòu)底板下緣的普通鋼筋布置，在保證鋼筋最小間距的前提下，將原設(shè)計的單層底板橫向鋼筋設(shè)置為雙筋布置，并在底板下緣設(shè)置直徑6 mm的10 cm×10 cm防裂鋼筋網(wǎng)。

(3)當(dāng)考慮箱梁橫向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)時，結(jié)構(gòu)在各個施工階段及運營階段都是安全可靠的，而在現(xiàn)場施工時，縱向、橫向及豎向預(yù)應(yīng)力張拉存在先后順序，而箱梁底板的縱向裂縫便是在張拉縱向預(yù)應(yīng)力后、張拉橫向預(yù)應(yīng)力前產(chǎn)生的，故需對結(jié)構(gòu)計算模型中的問題進行改進，考慮橫向預(yù)應(yīng)力張拉前的底板橫向受力。若拉應(yīng)力水平超限，則應(yīng)通過加強橫向配筋等方法與混凝土協(xié)同受力，避免施工過程中出現(xiàn)開裂。

在后續(xù)節(jié)段及該處的另一幅橋施工時采用了上述的處治措施，在其節(jié)段懸澆施工過程中，對全橋的裂縫分布進行監(jiān)測表明無明顯縱向裂縫產(chǎn)生，處治措施效果良好。

4結(jié)語

本文以某公路連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，基于現(xiàn)場實測及有限元計算，分析該橋懸澆施工過程中箱梁底板出現(xiàn)縱向裂縫的成因，探討其處治措施，并得到以下結(jié)論：

(1)引起箱梁底板拉應(yīng)力的因素中，掛籃不均勻變形、非對稱張拉箱梁縱向預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮效應(yīng)等均可能導(dǎo)致底板開裂，但其應(yīng)力特點與本橋裂縫分布規(guī)律不相符，即上述三種原因均非底板縱向裂縫的主要成因。箱梁底板混凝土水化熱及養(yǎng)護條件等導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)梯度溫度效應(yīng)與本橋裂縫分布規(guī)律一致，故底板溫差是縱向裂縫的主要成因。

(2)針對裂縫成因及特點，提出加強箱梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護工作，嚴格控制箱梁混凝土內(nèi)的溫度梯度，并加強底板的橫向配筋等處治措施。在后續(xù)節(jié)段及另一幅橋的施工過程中采用了上述處治措施，有效控制了箱梁底板的縱向開裂，為類似工程提供參考。

參考文獻

[1]韓志星.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫分析及參數(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

[2]杜斌，趙人達.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫成因分析及防治對策[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36(10)：77-81.

[3]程灝.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫成因分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，37(3)：170-174.

[4]李貞新，李小珍，李俊，等.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋底板開裂原因分析[J].工業(yè)建筑，2006，36(12)：41-43.

Analysis on Causes and Treatment of Box-girder Bridge Bottom-slab Cracks of Continuous Rigid Frame Bridges

WANG Kun

(Xinjiang Transportation Research Institute，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：Relying on a concrete continuous rigid frame bridge engineering，regarding the bottom-slab longitudinal cracks occurred during the box girder bottom-slab pouring construction，through the em-bedded sensors to measure the temperature and stress during box girder curing，and by establishing the model via to the finite element software，this article calculated the stress distribution under different load conditions，analyzed the reasons causing the longitudinal cracks in box girder bottom-slab，and proposed the corresponding crack treatment programs.

Keywords：Box-girder bridge；Finite element；Bottom-slab longitudinal cracks；Treatment measures

收稿日期：2015-12-21

文章編號：1673-4874(2016)01-0062-05

中圖分類號：U445.7+1

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.014

作者簡介

王坤(1983—)，助理工程師，主要從事公路橋梁試驗檢測工作。