現(xiàn)澆箱梁橋橫向裂縫成因計算分析

張 建 娟

(山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

現(xiàn)澆箱梁橋施工中最常見的問題即為裂縫，裂縫分布部位一般在底板、腹板、頂板。裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的，對于現(xiàn)澆箱梁設(shè)計構(gòu)造、施工工藝、基礎(chǔ)處理、支架方案及混凝土配合比、溫差應(yīng)力、混凝土收縮等方面考慮不當(dāng)均可產(chǎn)生裂縫，現(xiàn)以南方地區(qū)某大橋施工為實例，討論現(xiàn)澆箱梁施工中腹板裂縫產(chǎn)生的原因。

1 工程概況

該橋為某高速公路匝道橋，上部結(jié)構(gòu)為12×20 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁，結(jié)構(gòu)為4孔一聯(lián)；橋梁交工驗收檢測發(fā)現(xiàn)橋梁第1跨距2號墩頂1 m，左、右側(cè)腹板各有1條豎向裂縫L左=L右=0.8 m,δ左=0.12 mm,δ右=0.5 mm；CK0+266橋第4跨跨中位置1.5 m范圍內(nèi)底板有3條橫向貫通裂縫Lmax=0.8 m(左腹板)+4 m(底)+0.8 m(右腹板),δmax=0.20 mm。裂縫如圖1，圖2所示。

該裂縫為未通車情況下出現(xiàn)，且通過調(diào)查現(xiàn)場施工資料，發(fā)現(xiàn)施工順序、材料性能均滿足要求，為判明裂縫性質(zhì)，對出現(xiàn)病害的第一聯(lián)4跨進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，驗算采用平面桿系程序橋梁博士、Midas進(jìn)行。

2 作用效應(yīng)計算

為判定裂縫是否由于設(shè)計原因產(chǎn)生，根據(jù)規(guī)范條文對開裂截面進(jìn)行了驗算。根據(jù)橋梁設(shè)計文件，荷載等級為公路—Ⅰ級，環(huán)境類別為Ⅰ類，設(shè)計安全等級為二級，相對濕度為0.8；箱梁采用C40混凝土，橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土；結(jié)構(gòu)采用滿堂支架，現(xiàn)場澆筑，一次落架。計算選取一聯(lián)進(jìn)行，計算簡圖見圖3。

2.1 作用效應(yīng)分析

1)結(jié)構(gòu)自重+二期恒載。

二期恒載：橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土，8 cm厚C40混凝土。

2)收縮徐變。

計算考慮3 650 d收縮徐變。

3)梯度溫度作用。

根據(jù)《通規(guī)》4.3.10第3條規(guī)定，正溫差：T1=14，T2=5.5;負(fù)溫差：T1=-7，T2=-2.75。

4)汽車荷載。設(shè)計荷載為公路Ⅰ級，橋面凈寬7.5 m～8.2 m，單向行車，根據(jù)《通規(guī)》表4.3.1-3規(guī)定，車道數(shù)為2，橫向折減系數(shù)為1，偏載增大系數(shù)1.15(經(jīng)驗取值)。

沖擊系數(shù)計算：根據(jù)《通規(guī)》4.3.2條，求沖擊系數(shù)μ；沖擊系數(shù)計算結(jié)果如下：

計算跨徑L=20 m;彈性模量E=32 500 000 000 N/m2;跨中截面慣矩Ic=1.068 m4;跨中截面面積A=4.727 5 m2;跨中單位長度質(zhì)量mc=17 801.5 kg/m;正彎矩效應(yīng)計算頻率f1=7.568 832 864 Hz；負(fù)彎矩效應(yīng)計算頻率f2=13.147 067 13 Hz;正彎沖擊系數(shù)u1=0.341 947 669;負(fù)彎沖擊系數(shù)u2=0.439 514 311。

5)基礎(chǔ)變位?；A(chǔ)變位取值為-0.005 m，在0，1，2，3，4號墩處分別施加基礎(chǔ)變位荷載。

2.2 效應(yīng)組合

1)基本組合。

根據(jù)《公預(yù)規(guī)》4.1.6條規(guī)定，γ0=1.0，基本組合為：

1.2結(jié)構(gòu)重力+1.0收縮徐變+0.5基礎(chǔ)變位+0.8×1.4溫度梯度+1.4汽車荷載×沖擊系數(shù)。

2)作用效應(yīng)短期組合。

1.0結(jié)構(gòu)重力+1.0收縮徐變+1.0基礎(chǔ)變位+0.8溫度梯度+0.7汽車荷載(不考慮沖擊力)。

3)作用效應(yīng)長期組合。

1.0結(jié)構(gòu)重力+1.0收縮徐變+1.0基礎(chǔ)變位+0.8溫度梯度+0.4汽車荷載(不考慮沖擊力)。

4)作用效應(yīng)計算結(jié)果。

利用橋梁博士計算的單項作用效應(yīng)，計算出作用效應(yīng)組合，各作用的彎矩效應(yīng)結(jié)果值見表1，表2。

表1 各作用下彎矩效應(yīng)結(jié)果(一)

表2 各作用下彎矩效應(yīng)結(jié)果(二)

3 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

3.1 驗算截面

驗算截面選取邊跨跨中、邊跨支點及中跨跨中、中跨支點進(jìn)行。

3.2 有效分布寬度計算

根據(jù)《規(guī)范》4.2.3條進(jìn)行計算，結(jié)算結(jié)果見表3。

邊跨跨中：bmi=ρfbi，li=0.8l。

中跨跨中：bmi=ρfbi，li=0.6l。

中跨支點：bmi=ρsbi，li=0.2l(l左+l右)。

3.3 截面計算參數(shù)

根據(jù)截面有效寬度對各控制截面進(jìn)行裁剪，并將梗掖、倒角按面積相等的原則將截面近似轉(zhuǎn)換為工字型截面，結(jié)果見圖4。

利用Midas截面計算器計算截斷后的箱形截面和等效的工字型截面，結(jié)果見表4。

表4 各控制界面等效截面參數(shù)對比表

由計算結(jié)果可知，等效的工字型截面，截面特征與原截面偏差不大，可以接受。

3.4 正截面抗彎承載能力計算

以邊跨跨中截面為驗證截面，驗算截面為Ⅰ字型截面，根據(jù)《公預(yù)規(guī)》5.2.3條，首先判定受壓區(qū)高度x是否大于受壓翼緣高度；

本項目為普通鋼筋混凝土截面，所以預(yù)應(yīng)力為0，判定條件變?yōu)椋?/p>

fsdAs=280 MPa×0.063 5 m2=17.78×103kN。

條件成立，按《規(guī)范》5.2.2條公式計算正截面抗彎承載力：

(280 MPa×0.063 5 m2+0-280 MPa×0.044 2 m2-0)/18.4 MPa×7.6 m2=0.038 6 m。

判定x是否滿足要求：

x≤ξbh0。

x=0.038 6 m<ξ0h0=0.56×1.468=0.822 m。

x不滿足要求，則：

按照該步驟可以計算的邊跨跨中、支點、中跨跨中正截面抗彎承載能力，計算參數(shù)及結(jié)果見表5。

表5 正截面抗彎承載能力結(jié)算結(jié)果表

由計算結(jié)果可知，等效的工字型截面，抗彎承載能力結(jié)果與橋博箱梁結(jié)算結(jié)果基本相同，各截面承載能力均大于組合效應(yīng)值，承載能力滿足要求。

4 正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度驗算

以邊跨跨中截面為例，計算正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度。

按《規(guī)范》第6.4.3條，鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度Wfk，按式(1),式(2)計算：

(1)

(2)

取ρ=0.02。

按《規(guī)范》第6.4.2條，鋼筋混凝土構(gòu)件，Ⅰ類和Ⅱ類環(huán)境的裂縫限值為0.2 mm，符合規(guī)定。

按以上步驟可求得控制截面裂縫寬度，見表6。

表6 截面裂縫寬度結(jié)算結(jié)果表

由計算結(jié)果可知，箱梁截面的最大裂縫寬度限值滿足規(guī)范規(guī)定裂縫限值。

5 截面開裂彎矩計算

按《規(guī)范》第6.5.1條，計算鋼筋混凝土截面開裂彎矩Mcr。

其中，S0為全截面換算重心軸以上部分面積對重心軸的面積矩;ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;本項目主梁混凝土為C40，ftk=2.4 MPa。

利用Midas程序截面特征求解器，求得S0=0.965 m3，考慮受拉鋼筋作用S0=0.984 m3；Mcr=2S0ftk=2×0.98 m3×2.4 MPa=4 704 kN·m。

按上述程序，可計算出截面開裂彎矩，計算結(jié)果見表7。

表7 截面開裂彎矩計算結(jié)果表

通過計算開裂彎矩，可以看出各截面在恒載作用下彎矩均大于開裂彎矩，所以構(gòu)件裂縫出現(xiàn)較早。

6 結(jié)語

通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，確定結(jié)構(gòu)承載能力及正常使用極限狀態(tài)驗算均滿足規(guī)范要求；根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，控制截面的恒載彎矩遠(yuǎn)大于截面開裂彎矩，說明結(jié)構(gòu)在拆模后即會出現(xiàn)受力裂縫，裂縫表現(xiàn)形式為跨中底板橫向裂縫、墩底翼板根部橫向裂縫及延伸到腹板上的豎向裂縫。

1)第1跨距墩頂附近左、右側(cè)腹板豎向裂縫處于墩頂橫隔板與腹板交界處，為結(jié)構(gòu)收縮裂縫，該裂縫非受力裂縫，需進(jìn)行裂縫封閉。

2)第4跨跨中位置裂縫為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下正彎矩裂縫，裂縫寬度超限的原因可能為底板保護(hù)層厚度過大，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)較寬裂縫，該裂縫對結(jié)構(gòu)受力影響較小，但對結(jié)構(gòu)耐久性存在影響，建議進(jìn)行封閉處理，但在活載作用下裂縫還會出現(xiàn)，運營過程中應(yīng)該加強(qiáng)觀測。