基于敏感分析的預(yù)制箱梁腹板斜裂縫機(jī)理研究

雷 浪,劉顏滔,魏 程

(西安公路研究院有限公司 西安市 710065)

0 引言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展,橋梁的結(jié)構(gòu)形式也更加豐富,其中預(yù)制小箱梁由于具有較大的截面抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度,能夠很好地滿足高等級(jí)公路行車(chē)高速、平穩(wěn)、舒適的要求,并且兼具造價(jià)較低、施工速度快的特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到了十分迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]。

雖然小箱梁因其優(yōu)良的截面特性被廣泛應(yīng)用,但由于設(shè)計(jì)荷載等級(jí)幾經(jīng)變化和提升、受建設(shè)年代條件所限、設(shè)計(jì)過(guò)于追求經(jīng)濟(jì)性、施工不規(guī)范或不當(dāng)、車(chē)輛超載、結(jié)構(gòu)自身的老化和養(yǎng)護(hù)不力等原因,大量在役小箱梁橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了許多病害,其病害主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種裂縫,如腹板斜裂縫、腹板與頂板相接處縱向裂縫、箱梁底板縱橫向裂縫、腹板與底板交界處縱向裂縫、橋面板濕接縫處縱向裂縫等,隨著荷載的反復(fù)作用,裂縫進(jìn)一步發(fā)展,使梁體整體剛度減弱,使用功能降低,承載能力下降,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性[2]。

1 腹板斜裂縫發(fā)生和發(fā)展規(guī)律

近年來(lái)預(yù)制小箱梁主要大規(guī)模應(yīng)用在高速公路中,但由于設(shè)計(jì)上考慮不周、施工不當(dāng)、超載車(chē)的影響再加上自身的老化和養(yǎng)護(hù)不夠等原因,現(xiàn)有小箱梁橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了大量的病害。通過(guò)對(duì)多條高速公路一個(gè)多月的資料收集、走訪調(diào)查,整理收集了大量預(yù)制箱梁橋狀況。

本次調(diào)查對(duì)象為陜西省某高速上采用預(yù)制混凝土預(yù)應(yīng)力小箱梁的橋梁,病害情況較典型的橋梁有21座,設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20,掛-120,上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定為三類(lèi)和四類(lèi),結(jié)構(gòu)病害均比較嚴(yán)重,需要進(jìn)行一定的加固或維修。以其中裂縫病害嚴(yán)重的某座橋梁為例,該橋6孔一聯(lián),共有132條裂縫,統(tǒng)計(jì)裂縫病害情類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 裂縫類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁出現(xiàn)的裂縫病害中,大部分都是腹板斜裂縫、腹板豎向裂縫、底板縱向裂縫和橫向裂縫。其中出現(xiàn)腹板斜裂縫病害比例較高,因此研究腹板斜裂縫病害機(jī)理對(duì)常見(jiàn)中小跨徑橋梁的養(yǎng)護(hù)和加固具有重大意義。

1.1 病害規(guī)律

如圖1所示,腹板斜裂縫大致分布于梁端到四分點(diǎn)附近,且沿跨中左、右兩側(cè)對(duì)稱分布,和水平面的夾角為25°～50°。分析認(rèn)為,出現(xiàn)這種裂縫主要是由于箱梁在支座附近剪應(yīng)力過(guò)大、腹板抗剪能力不足,主拉應(yīng)力方向抗裂安全儲(chǔ)備考慮不充分等因素所致。隨著運(yùn)營(yíng)荷載的增長(zhǎng)及外界環(huán)境因素的影響,箱梁腹板部分裂縫有變寬、加重的跡象;重車(chē)通過(guò)時(shí),腹板斜縫有擴(kuò)展跡象。

圖1 預(yù)制箱梁腹板斜裂縫典型病害圖

腹板斜裂縫一般是混凝土主拉應(yīng)變超限導(dǎo)致其開(kāi)裂。腹板抗剪能力較弱,在腹板厚度偏小、箍筋設(shè)置偏少、彎起鋼束設(shè)置不合理、鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重、模板滑動(dòng)導(dǎo)致板厚增加、現(xiàn)澆層過(guò)厚、施工質(zhì)量較差或支座伸縮縫病害的誘因下產(chǎn)生斜裂縫,裂縫產(chǎn)生后由于鋼筋的布置不合理,無(wú)法有效限制裂縫發(fā)展。

箱梁腹板抵抗開(kāi)裂的能力主要是由腹板本身的混凝土的抗剪能力、腹板混凝土中的豎向抗剪預(yù)應(yīng)力鋼筋及腹板中的普通鋼筋組成,對(duì)腹板抗裂來(lái)說(shuō)前兩者是最主要的。后者是對(duì)前兩者的補(bǔ)充,能夠防止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。所以,普通鋼筋不足,裂縫一旦出現(xiàn),應(yīng)力就很大,隨著荷載的反復(fù)作用,裂縫進(jìn)一步增長(zhǎng)和擴(kuò)寬,使梁體的整體剛度降低,承載能力下降。隨著時(shí)間的推移,在荷載的不斷作用下,梁體狀況加劇惡化,最終趨于破壞。

1.2 影響因素

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋腹板裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的,極其復(fù)雜,涉及設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造、施工工藝、氣候條件、日常養(yǎng)護(hù)等各個(gè)方面,而且在實(shí)際工程中往往是多個(gè)因素的綜合作用致使梁體開(kāi)裂[3-5]。

(1)設(shè)計(jì)因素

結(jié)構(gòu)或構(gòu)造不合理(腹板尺寸不足)、截面配筋不足、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

(2)施工因素

模板定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致腹板厚度不足,混凝土振搗不密實(shí)導(dǎo)致腹板出現(xiàn)局部坑洞,預(yù)應(yīng)力管道起彎位置定位不準(zhǔn)確,混凝土養(yǎng)生不到位,模板滑動(dòng)導(dǎo)致主梁自重增加,拆模過(guò)早等都可能導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜裂縫。

(3)養(yǎng)護(hù)管理因素

高速公路路段重載、超載車(chē)輛較多;日常養(yǎng)護(hù)不到位,鋼筋銹蝕嚴(yán)重等。

2 腹板斜裂縫病害機(jī)理分析

為了探究導(dǎo)致預(yù)制小箱梁產(chǎn)生腹板斜裂縫的原因,在此分析預(yù)應(yīng)力損失、結(jié)構(gòu)自重偏差、移動(dòng)荷載提升三種條件下小箱梁各關(guān)鍵斷面上主拉應(yīng)力的變化情況,找出導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的可能原因,暫時(shí)不考慮設(shè)計(jì)因素。

采用Midas Civil對(duì)某高速3×20m預(yù)制混凝土小箱梁控制截面各施工階段以及運(yùn)營(yíng)階段的箱梁腹板進(jìn)行主拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,各個(gè)控制截面位置如圖2所示,其中1#、9#控制截面為小箱梁距支座1/8跨處;2#、10#控制截面為小箱梁距支座1/4跨處;3#、11#控制截面為小箱梁距支座3/8跨處;4#、12#控制截面為小箱梁跨中位置處;其中5#控制截面為小箱梁距支座5/8跨處;其中6#控制截面為小箱梁距左側(cè)支座3/4跨處;其中7#控制截面為小箱梁距支座7/8跨處;其中0#、8#控制截面為小箱梁支座位置。各個(gè)截面選取的應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)位置如圖3所示。

圖2 控制截面位置示意圖

注:1為頂板上緣;2為梗腋位置;3為中性軸位置;4為箱梁底板倒角位置; 5為底板下緣。

考慮不同荷載組合作用下小箱梁在施工階段和使用階段的頂?shù)装?、腹板?yīng)力分布,得出最不利組合作用下小箱梁頂?shù)装?、腹板?yīng)力分布。以此為基礎(chǔ),分析預(yù)應(yīng)力損失、梁體預(yù)制自重偏差、荷載等級(jí)提升對(duì)小箱梁結(jié)構(gòu)抗裂性影響,找出小箱腹板斜裂縫的成因。

2.1 預(yù)應(yīng)力損失

在實(shí)際工程中,由于預(yù)應(yīng)力張拉力不足、錨具回縮量過(guò)大、鋼絞線松弛、孔道與鋼絞線摩擦過(guò)大等因素導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失與理論計(jì)算值有較大出入,甚至在施工或結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中出現(xiàn)斷絲等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重不足,結(jié)構(gòu)腹板、頂板、底板因此出現(xiàn)一些受力裂縫,預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失也是小箱梁腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。為了分析鋼絞線預(yù)應(yīng)力大量損失對(duì)小箱梁裂縫的影響,以錨下控制應(yīng)力的減小模擬小箱梁實(shí)際運(yùn)用中鋼絞線預(yù)應(yīng)力的損失。分別假設(shè)預(yù)應(yīng)力束錨下控制應(yīng)力整體損失0、10%、20%、30%來(lái)模擬有效預(yù)應(yīng)力損失0、10%、20%、30%的效果,在準(zhǔn)永久作用效應(yīng)最不利組合作用下,0#～12#截面的主拉應(yīng)力結(jié)果如圖4所示,根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.1條規(guī)定,應(yīng)力限值0.7ftk=1.855MPa。

圖4 不同程度應(yīng)力損失下主應(yīng)力結(jié)果

由圖4可以看出,在有效預(yù)應(yīng)力損失不斷增大的條件下,各關(guān)鍵截面最大主拉應(yīng)力均有所增加,特別是在8#截面主拉力由1.00MPa、1.17MPa到1.50MPa最終增長(zhǎng)到1.847MPa,增長(zhǎng)明顯,增長(zhǎng)幅值較大,非常接近規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值,認(rèn)為預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失很可能導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫。

2.2 箱梁自重偏差

在小箱梁的預(yù)制過(guò)程和梁體安裝架設(shè)過(guò)程中,模板制造安裝誤差、工人施工質(zhì)量、混凝土材料配合比、振搗質(zhì)量、底模位置放樣等都會(huì)使小箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制自重產(chǎn)生一定偏差,小箱梁自重作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要荷載,其自身自重的偏差會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平產(chǎn)生不可忽略的影響,自重偏差過(guò)大,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)。在有限元軟件中通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)自重系數(shù)來(lái)模擬結(jié)構(gòu)自重偏差,假設(shè)結(jié)構(gòu)自重分別增加0、3%、7%、10%,在準(zhǔn)永久作用效應(yīng)最不利組合作用下0#～12#截面的主拉應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同自重增幅作用下應(yīng)力結(jié)果

由圖5可以看出,在結(jié)構(gòu)自重不斷增大的條件下,0#～2#、6#～10#截面主拉應(yīng)力有所增加;3#～5#、11#、12#截面最大主拉應(yīng)力反而有一定減小,但整體應(yīng)力水平均較低,與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值相比均有一定的安全儲(chǔ)備,認(rèn)為結(jié)構(gòu)自重偏差不是導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因。0#～2#、6#～10#截面為彎矩剪力綜合控制區(qū)或負(fù)彎矩控制,預(yù)制箱梁先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工,正彎矩遠(yuǎn)比負(fù)彎矩大,主拉應(yīng)力中剪應(yīng)力貢獻(xiàn)較大,3#～5#、11#、12#截面受力以正彎矩控制,主拉應(yīng)力中彎矩正應(yīng)力貢獻(xiàn)較大。

2.3 荷載等級(jí)提升

現(xiàn)階段高速公路和國(guó)省干線大量在役橋梁均按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)范設(shè)計(jì),而交通部2015年頒布新版《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015),公路I級(jí)移動(dòng)荷載相比2004年規(guī)范均有所增加。分析荷載等級(jí)由2004年規(guī)范的公路I級(jí)提升到2015規(guī)范對(duì)大量在役預(yù)制小箱梁工程具有重要意義。2004規(guī)范和2015規(guī)范公路I級(jí)移動(dòng)荷載作用下各斷面位置4主拉應(yīng)力如圖6所示,2004規(guī)范和2015規(guī)范公路I級(jí)荷載的最不利準(zhǔn)永久作用效應(yīng)下各關(guān)鍵斷面主拉應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖6 移動(dòng)荷載作用下位置4主拉應(yīng)力

圖7 不同規(guī)范移動(dòng)荷載作用下各斷面應(yīng)力結(jié)果

由圖6可知,2004規(guī)范移動(dòng)荷載作用下各截面位置4主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊跨跨中位置,最大值為3.76MPa;2015規(guī)范移動(dòng)荷載作用下各截面位置4主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊跨跨中位置,最大值為4.43MPa。邊跨位置最大主拉應(yīng)力由3.76MPa增大到4.43MPa,應(yīng)力增加0.67MPa,應(yīng)力增幅明顯。

由圖7可知,2015規(guī)范公路I級(jí)荷載的最不利短期作用效應(yīng)下各關(guān)鍵截面主拉應(yīng)力均比2004規(guī)范增大,最大值在11#斷面,由1.25MPa增大到1.32MPa,增幅5.6%,與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值相比有一定的安全儲(chǔ)備,因此認(rèn)為荷載等級(jí)提升不是導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因,但移動(dòng)荷載作用下截面主拉應(yīng)力增幅明顯,會(huì)對(duì)已有裂縫的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

綜合大量實(shí)橋調(diào)查,橋梁自重偏差一般不超過(guò)5%,而正常運(yùn)營(yíng)十年左右,預(yù)應(yīng)力損失一般可達(dá)到25%左右,在實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力損失較容易達(dá)到20%～30%,而因預(yù)制箱梁施工導(dǎo)致主梁自重增大10%的可能性較小。綜上分析認(rèn)為:有效預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大是腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

腹板斜裂縫是高速公路常見(jiàn)中小跨徑橋梁中的主要病害之一,文章針對(duì)某高速公路21座預(yù)制小箱梁病害情況,總結(jié)出預(yù)制小箱梁腹板斜裂縫發(fā)生位置和發(fā)展情況。由于腹板斜裂縫是截面承載力不足的表現(xiàn),對(duì)預(yù)制小箱梁腹板主拉應(yīng)力從預(yù)應(yīng)力損失、梁體預(yù)制自重偏差、荷載等級(jí)提升方面進(jìn)行敏感性分析,探究腹板斜裂縫病害機(jī)理,認(rèn)為預(yù)應(yīng)力損失是腹板產(chǎn)生裂縫的主要原因。在工程實(shí)踐中,對(duì)于腹板斜裂縫一般采取粘貼鋼板、腹板截面加厚等方法提高其截面抗剪承載力,改善其結(jié)構(gòu)受力,進(jìn)而達(dá)到控制裂縫的效果[6]。