大跨预应力混凝土连续箱梁桥腹板开裂成因及防治措施研究.pdf

大跨预应力混凝土连续箱梁桥腹板 开裂成因及防治措施研究 徐怀江 （江苏省灌云县公路管理站， 江苏连云港 2 2 2 2 0 0 ） 摘要：随着现代施工技术的进步，大跨度预应力混凝土 箱梁桥得到了广泛的运用， 但随着运营时间的推移， 该种桥型 的腹板裂缝病害日益严重。 本文结合实际， 探讨了大跨度预应 力混凝土连续箱桥腹板裂缝病害， 并分析了裂缝产生的原因， 针对不同情况结合设计、施工和养护三个方面提出防治措施 和改进意见， 以期为更好的完善设计、 指导施工提供参考。 关键词：预应力混凝土；连续箱梁；腹板裂缝；防治措 施 前言 近年来，我国大跨度预应力混凝土连续箱梁桥在不断增 加， 随着现代施工技术的进步， 收到了良好的经济效益。随着 运营时间的推移， 该种桥型的腹板裂缝问题日益严重。 此类病 害的产生有着多方面的复杂原因， 与设计计算、 施工技术、 工 程当地环境、 养护工作质量均有联系， 但在实际工程中病害的 产生与发展往往是多个因素的综合作用。本文通过对大跨度 预应力混凝土连续箱桥腹板裂缝病害的描述，分析裂缝产生 的原因， 从而有针对性地提出裂缝防治措施， 以期为更好的完 善设计、 指导施工提供参考。 1 腹板裂缝病害描述 大跨度预应力混凝土桥连续箱梁的腹板裂缝可分为很多 种， 以发生部位为依据， 可分为顶板裂缝、 腹板裂缝、 顶板、 横 隔板裂缝三种； 以受力角度为依据， 可分为弯曲裂缝、 剪切裂 缝、 扭曲裂缝、 断开裂缝和局部应力裂缝五种； 以裂缝成因为 依据， 则可分为荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。 以形态特点的视角来讲，大跨度预应力混凝土桥连续箱 梁的腹板裂缝的特点包括下述几个：（1 ）通常位于 L / 4 跨处， 且数量密集,裂缝宽度一般在 0 . 1 5 m m 0 . 5 m m ，发展方向大 致为跨中与支座部位。 （2 ） 以发展趋势为依据， 腹板斜裂缝可 分为三大类别 （见图 1 ） ： 第一种产生于中性轴处， 发展方向以 上、 下为主； 第二种产生于顶板和腹板的交界部位， 发展方向 朝下； 第三种产生于底板锚固齿板后端， 发展方向朝上。 其中， 尤以第二种最为常见。 （3 ） 腹板裂缝不能自动闭合， 且往往与 跨中下挠同时发生。 图 1 调研某预应力混凝土桥连续箱梁桥腹板斜裂缝分布图 2 裂缝原因 引起箱梁裂缝的因素较多， 腹板尺寸过薄、 预应力设计施 工上的偏差、 超载效应、 温差效应等都可能引起腹板开裂， 而 在实际工程中往往是这些不利因素组合起来引起腹板开裂。 现将引起箱梁裂缝主要因素归纳如下：（1 ） 弯起束的偏差。 （2 ） 砼收缩。 （3 ） 徐变。 （4 ） 周围环境条件和温度等。 （5 ） 桥梁荷载。 2 . 1 设计上的弯起束的偏差 2 0 世纪 8 0 年代末以来，越来越多的预应力混凝土箱梁 桥的设计为了施工方便和减少预应力钢材用量取消了弯起束 和连续束。 但模型的假设与实际情况差异过大， 受弯梁和偏心 受压构件的受力变形、 破坏模式也有差别。 通过相关资料调研 发现， 直束布置控制腹板应力主要是借助竖向预应力实现的， 所以， 斜裂缝产生几率较高。尽管弯束布置依旧有待优化， 但 取消弯束将导致腹板开裂几率升高。 2 . 2 温度变化 砼具有导热率差的特点， 沿其构件高度会出现温度梯度。 若将连续梁桥的支座解除，并假定结构的下表面温度小于等 于上表面， 结构会呈现出向上拱起的状态。但是实际上， 中间 支座会约束结构变形，由此导致的剪力以及约束弯矩将引起 裂缝。 对于预应力砼结构来讲， 在受到静载以及预应力影响的 时候， 其部分区域的压应力储备会相对较低。 在约束应力大于 砼的抗拉强度时， 就会引起竖向裂缝的产生。除此之外， 水化 热、 连续低温和收缩等也都是导致裂缝的原因。 2 . 3 箱梁桥的实际受力 箱梁桥的实际受力分为弯曲正应力、剪切应力、扭曲作 用、 局部应力作用几种， 本文以弯曲正应力为例进行了分析， 其他几项不再细述。 一般来讲， 垂直裂缝的出现通常与砼构件 的弯曲正应力大于抗拉强度有关， 此类裂缝在正、 负弯矩区的 分布位置分别为底部、 顶部。 正弯矩的弯曲裂缝一般会贯通底 板，甚至会延至腹板。对于箱梁采用分段式施工法的工程来 讲， 弯曲裂缝通常位于接缝部位。 2 . 4 施工与设计要求不相符 多数竖向预应力钢筋均采用螺母式锚具，此种模具在拧 紧时极易受到人为因素的影响。 在具体工程中， 若在箱梁底板 上锚固吊杆， 极有可能导致斜裂纹的出现。并且， 随着时间的 延长， 这些裂纹将不断扩大。 此外， 经过调研发现， 若竖向预应 力筋压浆不符合要求， 则有可能引起箱梁腹板截面开裂。 3 防治措施 通过腹板裂缝病害调研和分析， 探讨了腹板裂缝原因。 鉴 于裂缝的出现与工程建设的各个环节均有关联，防治措施的 制定也需要多措并举。 本节将从设计、 施工和运营养护三个方 面探讨大跨度预应力混凝土连续箱梁的腹板裂缝病害的防治 措施。 3 . 1 设计方面防治措施 3 . 1 . 1 合理布置桥跨及箱梁截面尺寸 若预应力混凝土连续梁桥的边跨和主跨比选用不合理， 将对结构受力状况产生直接影响。 在边跨较长的情况下， 整体 刚度就会相对较小， 受到恒载与活载的影响， 主拉应力将会增 大， 裂缝几率也会因此升高。因此， 在竖向预应力无法发挥正 常作用的时候， 有必要适当调整腹板厚度或者重新设计。 3 . 1 . 2 合理布置预应力钢束 施工中应对纵向预应力钢束进行科学设计和合理优化。 腹板斜裂缝的产生与布置时仅关注施工方便有很大关联。相 关实例证明： 若工程中确定的布置方案为直线束， 就必须重视 下弯束以及分弯起束的布设。 在具体设计中， 工程人员可考虑 以纵向预应力钢束合理布设的方式，实现对箱梁受力状态的 改善。 3 . 1 . 3 加强对温度应力的重视 桥面温度改变将引起结构内力的巨大变化，尽管此种后 果不会持续存在， 但是却具有一定的必然性， 无法避免。 并且， 若不重视温度应力， 则有可能导致裂缝的大量出现。 此类裂缝 对结构功能发挥不会产生明显危害， 但依旧不容忽视。 在设计 过程中， 应通过验算截面应力、 布置非预应力钢筋等措施对裂 缝进行控制。 3 . 2 施工控制方面防治措施 3 . 2 . 1 混凝土工程质量控制 （1 ） 对结构尺寸进行严格控制， 若出现结构自重与理论值 严重不符的情况， 必须重新验算。 （2 ） 必须保证混凝土强度达到设计要求的强度和弹性模 量、 满足设计规定的加载龄期时再开始张拉预应力钢束。 （3 ） 加强对混凝土配合比的设计、 添加剂的控制、 混凝土 振捣和养护等， 避免混凝土出现早期裂缝及其他非结构裂缝。 3 . 2 . 2 预应力工程质量控制 （1 ） 各项预应力筋的张拉和灌浆工艺应严格按设计进行， 预应力筋孔道定位偏差也控制在规范允许范围内，预应力筋 张拉和灌浆时应有质检人员全过程旁站，确保张拉力达到设 计要求和孔道灌浆饱满。 （2 ） 重视预应力钢束的张拉力控制， 改进预应力钢束的张 拉工艺。 （3 ） 控制用于预应力孔道压浆的水泥浆中的氯离子含量。 3 . 2 . 3 施工控制 （1 ） 完善施工监控措施， 以检验并凋整施工过程中的结构 反应 （位移、 应力） 与设计值一致。 （2 ） 分段浇筑时， 应严控制底板、 腹板和顶板混凝土浇筑 相差时间及温差， 严格控制合拢段高差。 （3 ） 为防止由温度应力引起的非结构性裂缝， 在施工时， 应应尽量选择温度低的季节浇筑混凝土， 热天浇筑混凝土时， 应降低水温拌制，选用水化热小和收缩小的水泥及级配良好 的骨料， 严格控制沙石的含泥量， 尽量降低水灰比， 合理使用 减水剂、 加强振捣以减少水化热， 提高混凝土的密实性和抗拉 （下转第 3 1 4 页） 研究与探讨? ? 水量、 水泥用量参照规程选用， 由于机制砂棱角多， 石粉含量 相对大， 导致其需水比较大， 因此相对河砂混凝土， 机制砂混 凝土宜掺入适量外加剂达到相同工作性，且掺量一般高出 0 . 2 % 0 . 4 % 。 在机制砂级配良好、 细度模数在中砂范围时， 机制砂混凝 土砂率与河砂混凝土基本一致 （3 6 % 4 2 % ） ， 在保证混凝土拌 和物粘聚性良好的前提下， 应尽可能选取较小的砂率， 以保证 混凝土的弹性模量和干燥收缩。 配制水灰比较大的中、低强度塑性混凝土或大坍落度混 凝土时，机制砂中的石粉解决高强等级水泥配制低强度等级 或大坍落度混凝土时的混凝土强度富余过大与工作性差之间 的矛盾。 与临近标段采用河砂浇筑结构物对比可以看出， 机制 砂混凝土浇筑的涵洞八字墙墙身等外观质量明显好于河砂混 凝土。 3 . 2 机制砂混凝土施工 机制砂混凝土的拌制、 运输、 浇筑等施工要求均与天然砂 混凝土施工相同， 但应注意以下几点： （1 ） 机制砂含有较多的石粉， 在拌制混凝土过程中不易搅 拌均匀， 故应采用强制式搅拌机搅拌， 并较河砂混凝土应适当 延长搅拌时间 3 0 s 6 0 s ， 本项目一般采用 1 2 0 s 。 （2 ） 机制砂混凝土比同河砂混凝土易于液化， 故机制砂混 凝土要比同坍落度条件的河砂混凝土适当缩短振捣时间， 以 混凝土表面泛浆、 气泡不再上升为度。 （3 ） 应加强早期养生， 适当延长养生时间。机制砂混凝土 中粉体含量较高， 早期收缩较大。 因此， 应注意早期保湿养护， 以防止机制砂混凝土的塑性收缩和干燥收缩裂缝发生。二衬 混凝土采用洒水养生， 墙身混凝土采用土工布覆盖洒水养生， 墩柱采用薄膜包裹滴灌养生。 4 结语 综上所述， 在一年多机制砂的生产和使用过程中， 项目部 克服了所涉队伍多、 协调难度大、 围岩复杂、 洞渣参差不齐、 生 产线报批繁琐、 机制砂应用参考数据少等重重困难， 成功生产 并使用机制砂 6 万方， 取得了良好的经济、 社会效益， 为公司 同类隧道施工项目拓展赢利点提供了参考，具有较强的指导 性和广泛的应用前景。 参考文献： 1 刘秀美机制砂作混凝土细骨料的研究 D 济南： 济南大学， 2 0 1 3 ： 1 - 8 5 2 游秋波干法生产加工机制砂关键技术 J 城市道 桥与防洪， 2 0 1 1（0 5 ） （上接第 3 1 5 页） 2 . 2 . 3 配网通信系统运行中出现的问题 实际在该系统的运行过程中，当手拉手结构的一侧光路 出现问题进行光路倒换后，配电终端与配网主站之间业务中 断时间长达 1 0 分钟，无法满足配网自动化的 5 0 m s 的倒换时 延需求。 针对上述问题，检查了 O L T 的配置文件以及保护组的状 态， 检查后没有发现任何异常。 通过拔插光纤或者关闭光口的 方式倒换时， 保护组能够很快的完成光路倒换。 再次检查 O L T 上学习到的设备的 M A C 地址，发现在备用 O L T 的上行口学习到了设备的 M A C 地址。经确认， 由于上层交 换机未进行用户侧端口隔离设置，由此导致 M A C 地址发生了 漂移。 接入侧设备为了防止 M A C 地址从网络侧漂移到用户侧， 一般在 M A C 地址学习上， 网络侧优先级比用户侧高。 所以当倒 换到备用 O L T 时， O L T 能在用户侧检测设备 M A C 地址， 但是由 于网络侧已学习到该 M A C ， 由此导致用户侧 M A C 地址被丢弃， 直到网络侧 M A C 地址被老化。 将交换机配置成用户侧端口隔离，同时配置通过 M A C 地 址刷新 A R P 。测试时发现数据中断时间从以前的 1 0 分钟减少 到 1 0 秒钟左右，但性能仍然不能满足业务中断时间不超过 5 0 m s 的要求。 后来反复倒换测试发现，配电终端每 1 0 s 左右才会发送 上行报文，由此才触发倒换后 O L T 与交换机进行 M A C 地址学 习。 之后测试在倒换时不停的从配电终端发送 P I N G 包至配网 主站， 结果发现倒换时延基本在 5 0 m s 内， 基本满足需求。 设置 交换机的 A R P 表随 M A C 刷新功能来触发 A R P 的及时刷新， 解 决了因 M A C 地址漂移导致的保护倒换时间过久的问题。 3 结语 本文首先介绍了 E P O N 技术及其常用的几种组网结构， 然 后通过对某地采用 E P O N 技术进行组网的配网通信系统的实 例介绍，并且结合该系统在运行过程中出现的问题进行了分 析解决，希望能够为今后类似配网通信系统的建设运行提供 一定的经验和借鉴。 参考文献： 1 杨旭E P O N 技术在广东电网智能配网通信中的应用 分析 J 光通信研究， 2 0 1 1（0 5 ） 2 李瑞德， 马永红， 王一蓉E P O N 接入保护架构及其性 价比分析 J 光通信技术， 2 0 1 0（3 ） 3 徐艺， 李武杭， 侯雅林无源光网络技术在配网自动 化中的应用 J 电网技术， 2 0 0 8（0 8 ） X U Y i ， L I W u - h a n g ， H O U Y a - l i n . P a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k t e c h n o l o g y a p p l i e d i n t h e d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n . J . P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 3 2 （8 ） ： 9 5 - 9 6 . 4 徐光年， 马新， 潘克菲. 基于 E P O N 技术的配电网通信 系统设计和应用 J . 电力系统通信， 2 0 0 8 ， 2 9（5 ） ： 5 9 - 6 0 X U G u a n g - n i a n ， M A X i n ， P A N K e - f e i . D e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f d i s t r i b u t i o n n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n E P O N . C . T e l e c o m m u n i c a t i o n s f o r E l e c t r i cP o w e rS y s t e m s ， 2 0 0 8 ， 2 9（5 ） ： 5 9 - 6 0 5 曾瑞江， 张晓平， 柳慧超等无源光网络和工业以太 网交换机技术在配电网分布式控制中的应用研究 J 广东 电力， 2 0 1 2 ， 2 5 ( 5 ) ： 7 5 - 8 0 Z E N GR u i j i a n g ， Z H A N GX i a o p i n g ， L I UH u i c h a o ， e ta l S t u d yo nA p p l i c a t i o no fP a s s i v eO p t i c a lN e t w o r k sa n d I n d u s t r i a lE t h e r n e tS w i t c hT e c h n o l o g i e si n D i s t r i b u t e d C o n t r o l o f D i s t r i b u t i o n N e t w o r k s J G u a n g d o n gE