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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第25卷 第3期重 庆 交 通 学 院 学 报2006年6月Vo1125No13JOURNAL OF CHONG QINGJIAOTONGUNIVERSITYJune 2006预应力砼连续箱梁桥裂缝成因分析及防治措施贾 佳1,彭 卫2(11 浙江大学,杭州市交通规划设计研究院,浙江 杭州310000;21 金华职业技术学院,浙江 金华321017)摘要:针对目前大跨径预应力砼连续箱梁普遍开裂的情况,从预应力筋的合理设置、
2、计算方法的选取、温差应力的影响、应力控制值以及非预应力筋配置等几方面进行了裂缝成因分析,并提出了防止裂缝的设计建议和构造措施.关 键 词:连续箱梁;预应力砼桥梁;裂缝;温度应力;有限元法;抗裂中图分类号:U44517 文献标识码:B 文章编号:10012716X(2006)0320006203 随着公路建设事业特别是高速公路建设的迅猛发展,大跨径预应力砼连续箱梁桥由于其良好的受力性能和维修简便的特点而得到广泛的应用.由于设计和施工的原因,工程实际中的此类桥梁经常出现各种不同性质的裂缝,破坏了桥梁美观,影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性.本文结合典型桥例的理论分析与数值计算,从定性和定量上分
3、析了其产生裂缝的原因,针对敏感性因素提出有效的改进设计与施工修补方法,从而促进工程质量的全面提高.1 典型桥例两座典型桥例分别为桥一和桥二.桥一为56+80+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,设计荷载汽2超20,挂2120;桥二为52+380+52m五跨变截面单箱单室连续箱梁桥,腹板厚度由支点0160m渐变至跨中0135m,桥宽16m,设计四车道,设计荷载为汽220,挂2100.两座桥的裂缝形态基本相似,主要表现为边跨现浇段腹板和支座附近四分之一跨范围腹板45 斜向裂缝.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
4、现主跨箱梁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 裂缝成因分析箱梁开裂的原因很复杂,涉及到设计、施工、监理等各方面的因素,以下仅从设计计算方面作一些分析.211预应力束的布置方式腹板斜裂缝是预应力砼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,下面列出桥例一在不同预应力条件下的空间有限元计算结果.计算模型为
5、折板结构,有限单元采用平面应力与弯曲复合的板壳元,每个节点6个自由度,全桥划分为5893个节点,6112个单元(图1).活载纵向利用影响线动态加载,横向按规范布置三列车,预应力用等效荷载加在相应的节点和单元上.共分三种预应力情况进行计算.表1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2超20.三种预应力情况如下(均为考虑预应力损失后的有效预应力):预应力1:腹板纵向预应力按下弯筋布置,竖向有效预应力按张拉力的50%考虑;预应力2:腹板纵向预应力按直线束布置,竖向有效预应力按张拉力的50%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
6、作用(假设竖向预应力损失殆尽的极端情况).繱收稿日期:2005204227;修订日期:2005206222作者简介:贾 佳(1973-),女,重庆市人,工程师,从事桥梁设计工作.1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表1 边跨现浇段腹板在不同预应力条件下的应力(MPa)节点号预应力1预应力2预应力3(6)(4)(1)yz(2)S1(3)yz(4)S1(5)yz(6)S1(4)2500-0163 2100-0165 2114-0165 214901162509-
7、1144 2149-1147 2162-1146 310801182518-2112 2171-2114 2181-2114 314001212527-2145 2162-2147 2171-2147 313801252536-2173 2153-2175 2161-2176 313601292545-3129 2145-3132 2151-3134 313201322554-3190 1178-3192 1182-3189 310001652563-5100 1112-5102 1115-5100 315121052573-0154 0100-0156 0100-0156 01462574-
8、0145 0181-0148 0180-0147 115601952575-1143 0119-1145 0122-1145 017921592576-1141 0188-1144 0188-1144 116201842577-2112 0162-2114 0164-2114 114911332578-2112 1108-2114 1107-2114 118001682579-2145 0175-2147 0179-2147 118211302580-2145 1102-2147 1102-2147 117301702581-2176 0196-2179 1100-2179 210411042
9、582-2180 0198-2183 0199-2182 116801702583-3138 1128-3141 1132-3141 213101752584-3146 0199-3149 1100-3147 115801582585-4125 1138-4127 1142-4126 217601942586-4160 1136-4163 1138-4162 218411062587-5108 1167-5111 1179-5110 316711052588-5116 2118-5119 2120-5119 31970180 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
10、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.212计算方法一般桥梁设计均采用平面杆系有限元分析软件进行,箱梁的翘曲、畸变、剪力滞效应用系数考虑,活载偏载用内力增大系数考虑.为了研究平面分析与空间分析的差别,表2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
11、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.图1 纵向单元划分及部分腹板节点表2 平面分析与空间分析第一主应力(MPa)断面位置平面分析空间分析距15号墩415m-118834123距15号墩L1/4-115235161边跨跨中L1/2-112633141距16号墩左L1/4-11040150距16号墩左4m-01960145距16号墩右4m-11290148距16号墩右L2/4-11051191中跨跨中L2/2-113235188注:表中数字负值为压应力,正值为拉应力,加 3 者为超出规定值.213温度梯度模式与温差应力我国公路桥梁规范JT J023285的温度模式过于简单,不安
12、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.实桥温度场观测和应力场分析也表明,箱梁上部温度48h呈正弦曲线变化,斜拉桥主梁箱梁截面内的主拉应力可达2153MPa.砼结构的温度荷载与温差应力,对控制砼结构的裂缝是十分重要的.Fritz Leonha
13、rdt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7第3期 贾 佳,等:预应力砼连续箱梁桥裂缝成因分析及防治措施 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/的基础上经分析得到的,具有较高的权威性.我国铁道部从20世纪70年代末至80年代中期,也曾对多座铁路桥梁的温度应力进
14、行了实测,铁路规范采用的温度梯度是多次抛物线曲线模式,与新西兰规范相似.214应力控制值我国的大跨径预应力砼连续箱梁经常出现裂缝,分析其原因有两方面.一是设计时没有充分考虑斜截面抗剪,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,我国桥梁规定偏于不安全.从表3可以看出,对全预应力结构的容许主拉应力值,日本和德国的规定比较接近,都明显低于我国公路规范和铁路规范.表3 使用状态容许主拉应力的比较(MPa)砼等级铁路规范TB1000213299公路规范JT J023285荷载组合1组合2或3
15、日本规范(1988年)德国规范DIN4227C371108C40216821082134C503108214021701127C603148217231061147B35019B45019B551103 结论与建议1)平面有限元分析较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.在作平面分析时,要将箱梁的空间受力特性合理而不漏项地简化到平面计算中.使用阶段结构验算应按空间有限元分析.2)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,并考虑到我国疆土辽阔,东、西、南、北气候因素不同,可以参照美国规范的做法,将我国国土分成几个大区,在不同的地区
16、适用不同的温度梯度基数.鉴于目前没有这方面的资料,我国现有公路桥梁规范又过于简单不安全,只能参照英国、新西兰规范或我国铁路桥梁规范进行分析,并且温度梯度基数需要到现场调查取得.此外,通常假定的桥梁上部结构全长梯度不变与实际情况是不符合的.3)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.为防治腹板斜裂缝,一方面预应力布束要合理,使腹板剪应力在纵向和竖向预压力作用下产生的主拉应力不致过大;另一方面要保证施工质量,使长度较短的竖向预应力有效值与设计值一致.为提高腹板斜截面抗裂性,除预应力配束合理外,还要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,对于大跨径
17、箱梁可保证厚度不小于60cm.4)设计人员在确定结构安全性时,使用状态容许主拉应力值可适当参考日本和德国规范.参考文献:1 范立础.预应力混凝土连续梁桥M.北京:人民交通出版社,1997.2V.克里斯特克著,何福照,吴德心译.箱梁理论M.北京:人民交通出版社,1988.3 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析M.北京:人民交通出版社,1991.4 郭 健.混凝土斜拉桥主梁的非稳态温度场与应力场分析J.中国公路学报,2005,18(2):65268.5 徐龙高.关于预应力混凝土结构剪力设计有关规定的讨论J.桥梁建设,2001,(1):57261.6JT J023285,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥
18、涵设计规范M.北京:人民交通出版社,1985.7 彭 卫,张新军,朱汉华.箱形梁桥的空间有限元分析J.工程设计CAD与智能建筑,2002,(6):46249.Reason analysis and preventive measures for cracking of prestressedconcrete continuous box girder bridgesJIA Jia1,PENGWei2(11Hangzhou Design Institute of Communication,Zhejiang Hanhzhou 310000,China;21Jinhua College of Pr
19、ofession&Technology,ZhejiangJinhua 321017,China)Abstract:Some factors that induce crackingof prestressed concrete continuous box girder bridges are discussed,such as prestressing tendons,calculation method,temperature stress,concrete stress control,etc.The results obtainedfrom the calculation are pr
20、esented to demonstrate theeffect of these factors.Several design recommendations and construction measures are proposed to resist cracking of long2span continuous boxgirder bridges.Key words:continuous box girder;prestressed concrete bridge;cracking;temperature stress;finite element method;cracking resistance8 重 庆 交 通 学 院 学 报 第25卷