大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過(guò)程應(yīng)力分析及防裂技術(shù)研究*

喻 釗 胡志堅(jiān) 吳大健 王少兵

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過(guò)程應(yīng)力分析及防裂技術(shù)研究*

喻 釗 胡志堅(jiān) 吳大健 王少兵

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

為研究大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發(fā)展規(guī)律和控制方法，結(jié)合某大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和發(fā)展規(guī)律，基于有限元理論分析了主梁施工階段施工縫處關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力變化規(guī)律，并研究了改變普通鋼筋配置，添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索等裂縫控制措施.結(jié)果表明，施工過(guò)程中大跨度混凝土斜拉橋主梁節(jié)段受力狀況易使施工縫處產(chǎn)生裂縫；在施工階段添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索的防裂效果明顯.

大跨度混凝土斜拉橋；施工模擬；臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索；防裂技術(shù)

0 引 言

主梁裂縫是混凝土斜拉橋的突出病害，裂縫對(duì)橋梁的耐久性和營(yíng)運(yùn)安全性構(gòu)成了很大的威脅[1].然而，對(duì)斜拉橋在施工階段的力學(xué)研究主要集中在2個(gè)方面，即確定橋梁合理施工狀態(tài)的方法和非線(xiàn)性因素的影響[2-3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混凝土斜拉橋主梁施工階段開(kāi)裂的研究相對(duì)較少.陳肇元等[4]較全面地論述了鋼筋混凝土裂縫機(jī)理及控制措施.宋廣軍等[5]分析了某斜拉橋橫隔板裂縫產(chǎn)生的原因，并通過(guò)改善結(jié)構(gòu)受力提出了加固措施.靳敏超等[6]通過(guò)對(duì)某斜拉橋索塔既有裂縫的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，得出了裂縫寬度與溫差之間的相對(duì)變化關(guān)系，解釋了裂縫隨索塔內(nèi)外溫差變化這一現(xiàn)象的本質(zhì).王如寒等[7]認(rèn)為某混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土收縮，并提出了預(yù)防和控制該類(lèi)裂縫的方法，但效果并不明顯.宋冰泉等[8]通過(guò)在橋面板中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的方法，消除橋面板中的結(jié)構(gòu)性裂縫.

相對(duì)而言，目前缺少針對(duì)混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發(fā)展規(guī)律和控制方法的研究.文中以某大跨度混凝土斜拉橋主梁施工過(guò)程中實(shí)際開(kāi)裂情況為背景，基于有限元理論分析施工階段主梁施工縫處關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布，研究大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁裂縫發(fā)展規(guī)律和控制方法.并據(jù)此對(duì)比分析改變梁體鋼筋配置和添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索等防裂措施，為大跨度混凝土斜拉橋主梁設(shè)計(jì)和施工提供借鑒.

1 工程背景

1.1 橋梁概況

該斜拉橋主橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮體系，索塔為直立塔柱，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，寬35 m，中心高度2.8 m，采用三跨一聯(lián)(128.5 m+310 m+128.5 m)連續(xù)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1.主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面半結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.

圖1 主橋總體布置(單位:m)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面半結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)

主橋橋面為雙向6車(chē)道，橋面有效寬度31.5 m，橫橋向索距32.5 m，風(fēng)嘴寬度0.5 m，斜拉索錨固區(qū)寬度1.25 m，全橋共4×26對(duì)斜拉索.0#節(jié)段7.2 m，1#，1’#節(jié)段6.4 m，2#～7#，2’#～7’#節(jié)段5 m，8#、8’#節(jié)段6 m.塔下5個(gè)主梁節(jié)段(節(jié)段號(hào)分別為2’#，1’#，0#，1#，2#)共30 m采用支架現(xiàn)澆，主梁其余節(jié)段采用前支點(diǎn)掛籃現(xiàn)澆懸臂施工，前支點(diǎn)掛籃節(jié)段施工工藝流程：掛籃前移到位后立?！鷴焖骷暗谝淮螐埨崩鳌摻罱壴皖A(yù)應(yīng)力管道安裝→混凝土澆筑1/2時(shí)第二次張拉斜拉索→澆筑剩余混凝土→梁段預(yù)應(yīng)力張拉→第三次張拉斜拉索→掛籃前移→進(jìn)入下一梁段施工.

1.2 裂縫觀(guān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果，主梁裂縫主要出現(xiàn)在節(jié)段間施工縫處.節(jié)段施工縫處裂縫沿施工縫由風(fēng)嘴向橋梁中心線(xiàn)延伸，延伸長(zhǎng)度不等，南塔主梁裂縫觀(guān)測(cè)結(jié)果示意圖見(jiàn)圖3，圖中深色粗線(xiàn)段為裂縫，裂縫最長(zhǎng)為565 cm，裂縫寬度最大1.95 mm，各裂縫的長(zhǎng)度和寬度如圖3所示.

南塔主梁2#～3#節(jié)段施工縫位置裂縫在3#節(jié)段混凝土澆筑完成8 h左右開(kāi)始出現(xiàn)，產(chǎn)生之初表現(xiàn)為橫向收縮裂紋，只出現(xiàn)在箱梁頂面；預(yù)應(yīng)力施工及斜拉索三張完成后，風(fēng)嘴位置逐漸開(kāi)始產(chǎn)生；隨著主梁節(jié)段向前進(jìn)行，施工縫位置裂縫基本滯后2個(gè)節(jié)段出現(xiàn)明顯變化.對(duì)部分節(jié)段施工縫位置進(jìn)行取芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂縫貫通，裂縫深度在靠近風(fēng)嘴位置較深，由風(fēng)嘴向橋梁中心方向逐漸變淺.

圖3 南塔主梁裂縫觀(guān)測(cè)結(jié)果示意圖(裂縫長(zhǎng)度單位：cm，裂縫寬度單位：mm)

2 有限元數(shù)值分析

2.1 建模過(guò)程

采用通用結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS建立南塔及主梁17個(gè)節(jié)段(8’#～0#～8#)實(shí)體模型進(jìn)行分析計(jì)算.建模過(guò)程中，主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力采用515.2計(jì)30束、2 215.2計(jì)9束和底部1 215.2計(jì)2束鋼絞線(xiàn)，斜拉索采用直徑7 mm高強(qiáng)度低松弛鍍鋅平行鋼絲，抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa根據(jù)索力的不同，采用PES7-139，PES7-163，PES7-199，PES7-283共4種規(guī)格.普通鋼筋采用直徑20 mm的HRB335.采用Solid65單元模擬混凝土，采用三維桿單元Link8模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋和斜拉索.在滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求下，主梁的網(wǎng)格大小為50 cm，預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)格大小為100 cm，主塔的網(wǎng)格大小為200 cm.整個(gè)模型共有247 271個(gè)單元，其中主梁228 449個(gè)單元，橋塔13 271個(gè)單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋5 519個(gè)單元.有限元模型見(jiàn)圖4.

圖4 有限元模型

塔梁的連結(jié)通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移約束耦合模擬[9].橋塔底端固結(jié)，預(yù)應(yīng)力鋼筋與主梁采用節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬，普通鋼筋采用整體式模型模擬.節(jié)段自重采用加速度場(chǎng)模擬，依據(jù)實(shí)際的施工過(guò)程逐步激活并施加重力.掛籃及施工荷載總計(jì)3000 kN等效為均布力作用在主梁上.預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，斜拉索采用設(shè)計(jì)提供的初拉力，拉力值2 593～5 425 kN.

模型中共分為9個(gè)施工階段完成17個(gè)節(jié)段(8’#～0#～8#)的施工模擬，施工階段一模擬0#塊的施工過(guò)程，施工階段二模擬1#及1’#塊施工過(guò)程，直到施工階段九模擬8#及8’#塊的施工過(guò)程.

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

有限元計(jì)算結(jié)果顯示較大的正應(yīng)力集中在節(jié)段施工縫位置處，與實(shí)際觀(guān)測(cè)到的裂縫位置基本一致.部分節(jié)段施工縫處的正應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖5～6，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù).圖5所示為5#，6#節(jié)段施工縫位置處施工6#節(jié)段后的正應(yīng)力分布圖，圖6為6#，7#節(jié)段施工縫位置處施工7#節(jié)段后的正應(yīng)力分布圖.由圖6可知，節(jié)段施工縫在下一節(jié)段施工完成后，在邊箱實(shí)心段下緣產(chǎn)生最大為6 MPa正應(yīng)力，該拉應(yīng)力足以使主梁邊箱實(shí)心段混凝土開(kāi)裂.

圖5 階段七5#～6#節(jié)段施工縫截面正應(yīng)力分布圖

圖6 階段八6#～7#節(jié)段施工縫截面正應(yīng)力分布圖

圖7為各施工縫位置處邊箱實(shí)心段下緣正應(yīng)力的橫向分布曲線(xiàn)，其中 “2-3”表示2#節(jié)段與3#節(jié)段的施工縫處邊箱實(shí)心段下緣的正應(yīng)力橫向分布曲線(xiàn).由圖7可知2#，3#節(jié)段和3#，4#節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段下緣拉應(yīng)力較小，4#，5#節(jié)段，5#，6#節(jié)段，以及6#，7#節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段拉應(yīng)力逐漸增大.由于該斜拉橋的主梁是變截面的，邊箱實(shí)心段由0#節(jié)段至8#節(jié)段逐漸變小，斜腹板逐漸增長(zhǎng)，箱梁底部預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)對(duì)實(shí)心段混凝土的約束作用逐漸減小，因此，各節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段下緣拉應(yīng)力逐漸增大.

圖7 邊箱實(shí)心段下緣正應(yīng)力橫向分布曲線(xiàn)

為分析各節(jié)段施工縫處裂縫的發(fā)展規(guī)律，選取各節(jié)段邊箱實(shí)心段下緣中間節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)與風(fēng)嘴的橫向距離為2.85 m，關(guān)鍵點(diǎn)位置見(jiàn)圖5.通過(guò)分析關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力在整個(gè)施工階段的變化規(guī)律，了解邊箱實(shí)心段區(qū)域的應(yīng)力變化規(guī)律，以此得到裂縫的發(fā)展規(guī)律.各節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段的變化見(jiàn)圖8.

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)該斜拉橋南塔前17個(gè)節(jié)段施工過(guò)程的模擬分析，分析計(jì)算結(jié)果可知，施工階段節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段下緣會(huì)產(chǎn)生較大的橋梁縱向(X方向)正應(yīng)力.在節(jié)段施工過(guò)程中，施工縫處邊箱實(shí)心段在本節(jié)段施工時(shí)正應(yīng)力較小，隨著下一個(gè)節(jié)段的施工，正應(yīng)力增大，邊箱實(shí)心段混凝土受拉，混凝土主梁邊箱實(shí)心段產(chǎn)生裂縫，隨著后續(xù)節(jié)段的施工和后續(xù)節(jié)段斜拉索的張拉，斜拉索的水平分力提供主梁的壓應(yīng)力，邊箱實(shí)心段正應(yīng)力下降，邊箱實(shí)心段混凝土受壓，裂縫最終可以自行閉合.

2.3 普通鋼筋影響

對(duì)有限元模型添加0.5%，1%，2%，3% 4種普通鋼筋配筋率計(jì)算.選取普通鋼筋配筋率為3%時(shí)，施工階段八6#，7#節(jié)段施工縫位置處的正應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖9，對(duì)比圖6可知，普通鋼筋配筋率為3%時(shí)，節(jié)段施工縫位置處的正應(yīng)力有所下降，但拉應(yīng)力依然較大，達(dá)到5 MPa.

圖9 3%HRB335時(shí)階段八6#～7#塊的施工縫截面正應(yīng)力分布圖

同時(shí)，可以得到不同配筋率時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)，選取普通鋼筋配筋率3%時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖10，對(duì)比圖8可知，關(guān)鍵點(diǎn)處正應(yīng)力隨施工階段的變化趨勢(shì)不變，邊箱實(shí)心段混凝土在各施工階段的正應(yīng)力數(shù)值均有下降，但下降數(shù)值較小，邊箱實(shí)心段混凝土處依然存在較大正應(yīng)力.

圖10 3%HRB335時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)

各施工縫處關(guān)鍵點(diǎn)在施工過(guò)程中最大正應(yīng)力隨配筋率的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11.由圖11可見(jiàn)，隨著配筋率的增加，各施工縫處關(guān)鍵點(diǎn)在施工過(guò)程中最大正應(yīng)力呈線(xiàn)性緩慢下降，當(dāng)普通鋼筋配筋率增加到3%時(shí)，各施工縫處關(guān)鍵點(diǎn)在施工過(guò)程中依然出現(xiàn)最大超過(guò)4 MPa的正應(yīng)力，因此普通鋼筋對(duì)于控制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展效果不明顯.

圖11 關(guān)鍵點(diǎn)最大正應(yīng)力隨配筋率的變化曲線(xiàn)

結(jié)合裂縫實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果和有限元分析結(jié)果可知，大跨度混凝土斜拉橋在主梁施工過(guò)程中節(jié)段施工縫處易產(chǎn)生裂縫，主要表現(xiàn)為貫穿性裂縫，是由于風(fēng)嘴和邊箱實(shí)心段位置處預(yù)應(yīng)力不足造成的，因此，需考慮一定的措施，避免主梁施工階段節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段產(chǎn)生裂縫，防止施工階段裂縫對(duì)橋梁的承載力和耐久性造成不利影響.

3 防裂措施

由圖7可知，箱梁底部預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)對(duì)實(shí)心段混凝土的約束作用逐漸減小，各節(jié)段施工縫處邊箱實(shí)心段下緣拉應(yīng)力逐漸增大，因此，考慮在實(shí)心段混凝土區(qū)域添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索的方法控制施工階段拉應(yīng)力的出現(xiàn).又由圖8可知，節(jié)段施工縫處最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下一節(jié)段施工時(shí)，因此，為保證防裂效果，考慮在2種不同施工階段各添加6束1215.2臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索：在下一節(jié)段施工時(shí)在關(guān)鍵點(diǎn)區(qū)域添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索(晚一節(jié)段添加)，在本節(jié)段施工時(shí)在關(guān)鍵點(diǎn)區(qū)域添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索(本節(jié)段添加).圖12為2束臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索位置，與風(fēng)嘴的橫向距離分別為2.7 m和3 m，混凝土保護(hù)層厚度15 cm.

圖12 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索位置

晚一節(jié)段添加臨時(shí)索時(shí)，施工縫關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖13.由圖13可知在下一節(jié)段施工時(shí)添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索，關(guān)鍵點(diǎn)處最大正應(yīng)力依然超過(guò)2 MPa，不能完全消除裂縫.

圖13 關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)

本節(jié)段添加臨時(shí)索時(shí)，施工階段八6#～7#節(jié)段施工縫位置處的正應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖14.對(duì)比圖6可知，節(jié)段施工縫處的正應(yīng)力大幅下降，實(shí)心段下緣基本受壓.此時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖15，施工縫截面關(guān)鍵點(diǎn)在主梁施工階段全過(guò)程受壓，避免了節(jié)段施工縫位置處裂縫的產(chǎn)生，防裂效果顯著.

圖14 階段八6#～7#節(jié)段施工縫正應(yīng)力分布圖

圖15 工況二關(guān)鍵點(diǎn)正應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)

因此，在施工階段，可采取在本節(jié)段施工時(shí)添加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索的措施防止主梁施工縫處開(kāi)裂.

4 結(jié) 論

1) 由應(yīng)力分析結(jié)果可知，大跨度混凝土斜拉橋施工階段主梁施工縫處易產(chǎn)生裂縫，隨著施工的進(jìn)行，相應(yīng)開(kāi)裂區(qū)域的拉應(yīng)力逐步下降，裂縫不再繼續(xù)開(kāi)展.

2) 對(duì)于大跨度混凝土斜拉橋，需考慮施工階段梁體防裂措施，包括增加縱向鋼筋或縱向預(yù)應(yīng)力束，加強(qiáng)節(jié)段施工縫位置處的連接，防止節(jié)段施工縫處裂縫的產(chǎn)生.

3) 相對(duì)于晚一節(jié)段增加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索，在本節(jié)段施工時(shí)增加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索能更有效防止施工階段主梁節(jié)段施工縫處開(kāi)裂.

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Study of Stress and Cracking Prevention Techniques for Main Girder of Long-span Concrete Cable-stayed Bridges at Construction Stages

YU Zhao HU Zhijian WU Dajian WANG Shaobing

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To study the crack development and the corresponding control methods for main girder of long-span concrete cable-stayed bridge at construction stages, numerical simulations are carried out to analyze constructional stress distribution in critical segmental joints of the main girder and the numerical results are compared to the field measurements of cracks and their development for a long span concrete cable-stayed bridge. Cracking prevention techniques, including changing reinforcement ratios and adding temporary prestressed strands, are also investigated. The numerical results indicate that the constructional stress distribution for the main girders of long span concrete cable-stayed bridges can easily lead to cracking at the segmental joints, and that crack prevention effect from adding temporary prestressed strands is remarkable at construction stages.

long-span concrete cable-stayed bridge; construction simulation; temporary prestressed strands cracking prevention techniques

2016-10-16

*江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20132BBG70107)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013-IV-016)資助

U448.27

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.026

喻釗(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆放c橋梁工程