预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治

来源:用户上传      作者:

　　[摘要] 根据预应力混凝土连续箱梁普遍开裂的工程实际,结合有限元分析结果,对计算方法、混凝土控制应力、温度梯度模式、腹板预应力束布置等抗裂因素提出了设计建议，介绍了防裂构造措施。
　　[关键词] 连续箱梁 预应力混凝土 裂缝控制有限元法
　　1 前言
　　近年来大跨径预应力混凝土连续箱梁桥在施工过程或使用阶段,普遍出现各种不同性质的裂缝问题。典型裂缝是在边跨现浇段和支座附近以及跨中腹板斜裂缝。本文结合裂缝观测、有限元分析与理论研究,从裂缝成因分析和防治措施上探讨了大跨径预应力混凝土连续箱梁桥的裂缝控制问题。观测到的两座开裂桥梁为桥一和桥二。桥一为56m + 80m +56m三跨变截面单箱双室连续箱梁桥,支点箱高5m,跨中箱高214m,桥宽16125m,设计三车道,设计荷载为汽―超20 ,挂―120 ;桥二为52m+ 3 ×80m+ 52m 五跨变截面单箱单室连续箱梁桥,桥宽16m,设计四车道,设计荷载为汽―20 ,挂―100。两座桥的裂缝基本相似。桥一是在运营一段时间之后出现裂缝,而桥二在竣工质量验收时就发现桥梁主跨箱粱的部分腹板上出现了较多的裂缝,主要分布在跨中箱梁腹板以及在与边跨桥墩相接的现浇段箱梁腹板上,裂缝分布在上下游的两侧基本对称,与桥纵轴线成45°左右方向。从裂缝分布与方向来看,这些裂缝属于结构性裂缝,是由于主跨箱梁承受了较大剪应力,因而在腹板上出现了斜裂缝。
　　2 设计计算
　　2.1分析方法
　　平面有限元分析只适宜于结构初步设计以及无横向偏载作用下施工阶段的计算,使用阶段结构验算应按空间有限元分析。在作平面分析时,要将箱梁的空间受力合理而不漏项地简化到平面计算中。表1 列出了桥一各控制断面在最不利荷载组合下的第一主应力。可以看出,平面分析下第一主应力均为较小的压应力,而空间分析结果均为拉应力,且有4个断面拉应力数值较大,超出规范规定值。
　　表1 平面分析与空间分析第一主应力Mpa
　　
　　2.2混凝土控制应力
　　我国的大跨径预应力混凝土连续箱梁桥经常出现裂缝,斜截面抗剪能力是一个重要方面。非预应力钢筋特别是腹板中的箍筋和弯起钢筋设置过少,一旦竖向预应力损失过大,斜截面抗剪承载力将严重不足,从而导致腹板出现斜裂缝。另一方面,与国外设计规范相比,我国公路桥梁规范规定的使用阶段混凝土主拉应力限值偏于不安全(表3) 。施工阶段混凝土容许压应力偏高,而使用阶段压应力容许值偏低(表4) 。
　　表3 使用状态容许主拉应力的比较Mpa
　　
　　表4 C50 混凝土容许压应力的比较Mpa
　　
　　2.3预应力束的布置
　　腹板斜裂缝是预应力混凝土连续箱梁常见裂缝形式,是结构性裂缝,受腹板纵向预应力筋布置方式和竖向预应力大小的影响。为了深入探讨这两个因素的影响程度,下面列出桥一在不同预应力条件下的空间有限元计算结果。共分三种预应力情况进行计算。表2 列出边跨现浇段腹板的剪应力与主拉应力。荷载组合为:一恒+ 二恒+ 支座沉降+ 顶底板温差10 ℃+ 汽―超20 。三种预应力情况如下:预应力1 : 腹板纵向预应力按弯筋布置,竖向预应力按50 %张拉力考虑;预应力2 :腹板纵向预应力按直线束布置,竖向预应力按50 %张拉力考虑;预应力3 :腹板纵向预应力按直线束布置,不考虑竖向预应力作用。从计算结果可以看出:
　　(1) 竖向预应力大小对腹板剪应力没有影响。中间支座负弯矩区段预应力筋布置方式(直线束或弯起束)对剪应力影响也不大。
　　(2) 中间支座负弯矩预应力筋布置方式对该预应力筋作用范围内的腹板主拉应力影响很大。但布束方式对边墩现浇段腹板主拉应力影响不大。
　　(3) 竖向预应力大小对全桥范围内腹板主拉应力均有影响。不计竖向预应力作用与计入50 %设计张拉控制力相比,腹板主拉应力一般增大一倍左右。表中第6 栏主拉应力均超出规范规定值217MPa ,而第4 栏的数据在规定值之内。
　　表2 边跨现浇段腹板在不同预应力条件下的剪应力与主拉应力Mpa
　　
　　2.4 温度梯度模式
　　我国公路桥梁规范J TJ023 - 85 的温度模式过于简单,不安全也不合理。由于一般大跨径箱梁截面沿跨长方向是变化的,跨中梁高是支点梁高的一半左右,这样,采用同样的顶底板温差,则跨中的温度梯度比支座附近的温度梯度大很多,相应的温差应力也很大。桥一的空间分析结果表明,顶板升温5 ℃时,中跨跨中底板温差拉应力1196MPa ,边跨L1/ 4 处温差应力0146MPa。顶底板温差10 ℃时,中跨跨中温差应力4160MPa ,边跨L1/ 4 处温差应力1174MPa。混凝土结构的温度荷载与温差应力,对控制混凝土结构的裂缝是十分重要的。Fritz Leonhardt 认为温度应力是预应力箱梁发生裂缝的主要原因。采用不同的温度梯度模式计算得到的梁内温度应力相差很大,甚至可能是异号应力。如果温度梯度模式选用不当,即使增大温度设计值,也不能保证结构的抗裂性。英国规范BS5400 及新西兰规范都是在对多座桥梁实测的基础上经分析得到的,具有较高的权威性。
　　3 防止裂缝产生的措施
　　(1)对预应力混凝土连续箱梁桥,应该考虑支座开裂后的内力重分布,正确计算跨中、支座处的弯矩,根据弯矩合理配置纵向预应力钢筋,防止顶板和底板弯曲开裂。
　　(2)对支座附近的腹板,应保守考虑竖向预应力钢筋弹性压缩损失(据有关资料报导竖向预应力钢筋损失可达50% ) ,合理配置竖向预应力钢筋,加上构造钢筋和纵向预应力钢筋在支座处的弯起段一起抵抗主拉应力,避免腹板斜向开裂。
　　(3)对箱梁畸变和横向弯曲产生的附加预应力, 可以通过加厚顶底板, 加密横隔板或者采用布置横向预应力钢筋来抵抗, 以免造成纵向开裂; 对垂直平面处具有一定的曲率的变高度预应力混凝土连续箱梁的底板, 可以通过布置横向预应力钢筋, 或加厚底板截面尺寸, 来抵抗纵向预应力钢筋的曲率引起的向下径向荷载, 避免顶底板纵向开裂; 对大跨度预应力混凝土连续箱梁桥, 压应力储备对不要大于2 MPa, 避免因压应力储备过大造成顶底板纵向开裂。
　　(4) 对横隔板人洞的应力集中, 宜进行局部的有限元分析, 在此基础上在发生裂缝的部位布置防裂构造钢筋。
　　(5) 对齿板的锚头局压区, 宜进行端部锚固区段内的局部应力分析, 除了配置间接钢筋外, 另应根据局部应力分析配置闭合式箍筋。
　　(6) 对底板保护层混凝土劈裂裂缝, 设计时应参考规范要求, 保证混凝土保护层的厚度; 变高度预应力混凝土连续箱梁的底板, 在垂直平面处具有一定的曲率, 如果底板的混凝土保护层过薄, 应根据径向分布荷载设置平衡钢筋, 将这部分力通过平衡钢筋传递于上层钢筋, 使全底板共同参与受力, 防止底板保护层混凝土劈裂。
　　3 结语
　　(1)平面有限元分析只适宜于结构初步设计以及无横向偏载作用下施工阶段的计算,使用阶段结构验算应按空间有限元分析。
　　(2) 腹板纵向预应力筋布置方式和竖向预应力大小对腹板斜裂缝的产生影响较大。预应力布束要合理,同时要保证施工质量,使长度较短的竖向预应力有效值与设计值一致。
　　(3)与国外设计规范相比,我国公路桥梁规范规定的使用阶段混凝土主拉应力限值偏于不安全,而压应力容许值又过于保守。
　　(4)温度梯度模式的选取最好通过实桥观测和温度场的有限元分析,找出适合我国国情的箱梁温度梯度模式。我国现有公路桥梁规范过于简单且不安全,可以参照英国、新西兰规范或我因铁路桥梁规范进行分析,并且温度梯度基数要到现场调查取得。
　　(5)为控制箱梁的裂缝,除预应力配束合理外,还要在腹板内配置一定数量的箍筋与弯起钢筋,如双肢箍筋,并且腹板厚度不宜太薄。在箱梁的顶底板要设置一定数量的分布钢筋和收缩温度钢筋。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-593857.htm