预应力混凝土箱梁施工期混凝土崩裂成因及对策

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　　摘要：针对变高度预应力混凝土箱梁桥张拉过程中出现的混凝土崩裂现象，从设计原理和结构受力特性等几个方面综合分析了引起混凝土崩脱的主要原因，并对各种原因提出了相应的优化改造措施，以避免类似的事故发生，并为该类桥梁设计和施工提出了一定的参考价值。
　　关键词：箱梁；崩裂；成因；对策
　　1引言
　　预应力混凝土连续刚构桥和连续梁桥是最常见的两种大跨径桥梁结构形式，横断面主要采用箱形截面，且为了降低施工难度，大多采用单箱单室截面，线形上考虑到通航净空、外观美观以及符合受力特性等要求，预应力混凝土连续箱梁桥大都采用变高度截面形式，梁底的线形主要有圆曲线、抛物线、半立方抛物线几种。以往设计时一般按杆系平面结构进行模拟计算，直接将桥梁结构采用梁单元建立有限元模型进行分析，而忽略结构空间效应的影响。而实际结构属于空间结构，处于空间受力状态，尤其对于宽箱梁而言，空间效应更加明显。比如在桥梁跨中截段，为抵抗恒载和活载产生的正弯矩，在跨中、合拢段随着箱梁底板的线型布置了底板预应力束，垂直平面内具有一定的曲率，张拉底板预应力束后，产生向下的附加径向荷载，加之截面较宽，容易诱发箱梁底板崩裂、开裂。近几年在桥梁施工中出现了多起这样的事故，为此本文分析了底板崩裂及开裂破坏的原因、影响因素等问题，并提出相关的对策，为避免和修复此类事故桥梁提供参考和建议。
　　2成因分析
　　2.1 曲线预应力束作用
　　由于跨中底板正应力束张拉吨位大，预应力筋张拉后产生的径向力是造成箱梁底板混凝土向下崩出破坏的主要原因。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，钢束对混凝土产生的径向力为，而当相邻施工节段形成折角时，径向力其中，为梁底线形曲率半径；为相邻块折角；N为张拉力。箱梁底板实际上是两侧弹性嵌固于两腹板的弹性板，钢束的曲率引起径向力荷载，这种荷载势必受到底板横向弯曲的抵抗。当底板横向配筋不足，或尺寸不够时，就没有足够的承载能力抵抗径向力，底板就会产生裂缝甚至崩脱。
　　2.2 孔道偏差
　　理想的曲线预应力束应平滑连续，但是在悬臂施工中，预应力管道常常会受到混凝土振捣等一些人为因素影响，而使波纹管变形，或管道偏离原来的设计位置而形成转折点。当张拉预应力束时，力筋张拉绷紧后将在张拉力作用下有保持直线状态的趋势，于是对阻止预应力筋保持直线状态的凸出混凝土部分将产生局部作用力，使应力及其复杂，产生较大的下崩力，可能导致局部开裂并扩展以致剥落损坏。
　　2.3节段高差
　　大跨径连续梁桥和连续刚构桥悬臂施工时，由于一些不可避免因素的影响，在施工中各阶段标高出现不同的误差，导致节段出现折角，尤其跨中合拢时更为突出。折角对底板产生集中力的作用。当底板预应力束的张拉力过大时，如果不采取合理措施，就会使底板开裂甚至局部剥落。
　　2.4 设计方法
　　近年来，随着高强轻质材料的采用以及预应力和部分预应力、多向预应力的采用，使得设计者设计预应力混凝土箱梁桥时越来越趋于轻而薄的箱形梁；同时，为了施工移动模板的方便，往往望在跨间少设甚至不设横隔板。目前，工程技术人员在设计箱梁桥时，通常采用平面计算模型进行正截面极限承载力计算，这种分析方法忽略了箱梁桥空间效应，导致在抗裂钢筋的设置上没有进行合理的理论计算，而是按实际经验和构造需求布置。
　　3 优化措施
　　针对引起箱梁混凝土崩脱的主要原因，分别从设计和施工角度提出相应的改造措施，避免结构在施工过程中出现类似的破坏。由上面分析可知预应力箱梁底板混凝土崩裂，直接原因是张拉预应力筋时产生的径向力，而径向力的大小，又直接与底板曲线曲率半径和两相邻节段间的转角大小相关。曲率半径越小，张拉束产生的向下的崩力就越大。从设计上可以通过优化梁底曲线方程来改善结构受力，以梁底抛物线曲线为例，对相同跨径的桥梁结构，当根部和跨中截面梁高确定后，抛物线阶次愈小，跨中的梁高变化愈缓，梁底曲线的曲率半径也愈大，那么，张拉束产生的向下径向力就愈小。因此，当其它参数确定后，梁底抛物线阶次取的越小，底板被崩裂的可能性就越小。
　　从受力角度分析，底板受向下径向力作用变形时，两侧的腹板给其提供了嵌固作用。这样，底板就变成了类似两端固结，中部受向下作用力的结构，越靠近约束的地方，受力情况越为严重，即靠近腹板的底板孔道处竖向拉应力最大。为了减小径向力作用影响，尽量将钢束布置在靠近腹板处，这样可以减小横向跨中由径向力产生的力矩，而避免混凝土崩脱。或者设置横隔板或加强肋改善底板受力情况，横隔板或加强肋均能很好地将底板承受的向下崩力传递给整个箱梁断面，使得各径向力对底板的作用分配均匀。
　　从施工角度，为了避免发生预应力孔道偏差和移位，最好使用聚丙烯类刚性好的塑料套管作管道，牢固地固定在钢筋骨架上，并加密固定架的间距。在分段施工时，可以用充气或充水的增强橡胶管做芯棒插入套管内，并设置跳板以避免工人操作时在湿混凝土上走动，混凝土振捣时应注意避开波纹管。
　　此外，为了避免施工期节段之间出现过大标高误差，以及合拢时出现高差，导致节点间出现折角而引起下崩力，需要进行施工监控工作，实时监测温度、挂篮变形以及人为等因素引起的施工标高变化，并根据监控结构预测下一节段标高。通过实时调整模板标高来减小节段之间标高误差，以及避免合拢时出现较大高差。尤其在结构合拢时，温度对结构线形影响特别突出，且一天之中温差也较大，在施工期必须掌握温度变化趋势，根据温度变化特征，选择合适的合拢时间进行合拢。
　　4 结语
　　大跨径预应力变截面箱梁桥在施工过程中由于设计、施工等诸多方面的原因，导致结构在施工过程中可能出现混凝土崩脱破坏现象。在分析各种可能引起混凝土崩脱原因的基础上，从设计角度提出跨中底板纵向预应力钢束尽量靠近腹板位置布设并设置向上的防崩拉筋、同条件下降低曲线方程阶次、增加横隔板和设置加强肋等优化设计措施，改善结构受力；从施工角度提出加强施工监控工作，选择合适的合拢时间进行施工等措施，避免发生混凝土崩裂事故。

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