（交通运输工程专业论文）混凝土斜拉桥箱梁施工中裂缝处理及加固.pdf

内容提要 本文是东南大学工程硕士叶建良在叶见曙教授和邵德华高级工程师的指导下完成的。论 文研究的目的就是通过城闸大桥b o 节段支架现浇箱梁施工中的裂缝，深入研究裂缝成因的同 时研究可行的加固技术措施。 论文以南通市独塔混凝土斜拉桥为工程背景，对城闸大桥b 0 节段支架现浇箱梁施工中出 现的裂缝进行了调查、分析、总结。在实际调查的基础上运用有限元软件建立了b 0 节段空间 有限元模型，并分五个工况进行了应力和变形计算。计算结果表明，产生混凝土箱梁裂缝的 主要原因为支架顶部楔块变形及顶板水化热温差引起的温度收缩共同作用的结果。然后根据 工程的实际情况，提出用“增大截面和配筋+ 粘贴钢板法 进行结构加固，并对加固方案进行 复核计算，计算结果表明加固方法可行。此外，文中还对结构加固的现场施工及荷载试验情 况做了简单介绍，荷载试验数据表明，经过加固，结构恢复原设计刚度。 本论文研究过程中采用的一些分析方法( 如有限元分析方法) 和加固技术措施( 如封闭 注浆、增加截面和配筋、粘贴钢板等) 可供从事防止及处治大跨度混凝土斜拉桥主梁施工中 裂缝的工作人员作参考。 关键词：斜拉桥、裂缝、加固 ad s t r a c t ，玎1 ea u t h o ro ft h i sp 印e ri st h em a s t e ro fe n g i n e e r i n go fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y , y e j i a n - l i a n g h ec o m p l e t e sw r i t i n go ft h ep a p e ru n d e rt h eg u i d i n go fp r o f e s s o ry ej i a n - s h ua n d s e n i o re n g i n e e rs h a od e h u a t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi st or e s e a r c hd e e p l yt h er e a s o n so f c r a c ka n ds t u d yt h ef e a s i b l es t r e n g t h e n i n gm e t h o d 1 1 1 et h e s i s se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n di st h es i n g l e t o w e rc o n c r e t ec a b l e - s t a y e db r i d g ei n n a n t o n gc i t y i nt h eb a s i s o fs u r v e y i n g 、a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n ga b o u tc r a c kd u r i n g c o n s t r u c t i o no ft h ec h e n g - z h ab r i d g e0b l o c kb o xg i r d e rs t e n t e di l l - s i t u ，t h ea u t h o rf o u n d st h e s p a c ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ec h e n g z h ab r i d g e0b l o c kb o xg i r d e rs t e n t e di n - s i t u ，a n d c a l c u l a t e ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o nf r o mf i v ea s p e c t s t h er e s u l tf r o mc a c u l a t i o ns h o w st h a tt h e r e a s o no fc r a c ki st h er e s u l to fw o o dw e d g e sd e f o r m a t i o na tt h et o po ft h es t e n ta n dt h er o o f s h y d r a t i o nh e a tw o r k i n gt o g e t h e r a n dt h e n ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eb r i d g e ，t h e a u t h o rp r o p o s e st h em e t h o do f ”t i l i c k e n i n gs e c t i o na n di n c r e a s i n gs t e e lb a r s + p a s t i n gs t e e l p l a t ” t or e i n f o r c et h es t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l tf r o mr e v i e w i n gt h ec a c u l a t i o na b o u t r e i n f o r c e m e n ts h o w st h a tt h em e t h o do fr e i n f o r e e m e n ti sf e a s i b l e t h ea u t h o ri n t r o d u c e sb r i e f l y c o n s t r u c t i o no fs t r u c t u r er e i n f o r e e da n dl o a d i n gt e s t t l l er e s u l tf r o ml o a d i n gt e s ts h o w st h a tt h e s t i f f n e s so fs t r u c t u r ei sr e s u m e d s o m ea n a l y s i sm e t h o ds u c ha s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n ds o m es t r e n g t h e n i n g t e c h n i c a lm e a s u r e ss u c ha s “c l o s e dg r o u t i n g 、t h i c k e n i n gs e c t i o n 、p a s t i n g s t e e l p l a t e a p p l i e di nt l l ec o u r s eo fr e s e a r c ho f f e rr e f e r e n c ef o rt h ep e p l et h a tm e va r es t u d y i n gt h e b o x g i r d e rc r a c kd u i n gc o n s t r u c t i o no fc o n c r e t el o n g s p a nc a b l e s t a y e db r i d g e k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e 、c r a c k 、r e i n f o r c e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 + 的研究成果尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 ： 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名：崞垄益日飙，盟， 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电手文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理 签名：吐壶公导师签红逝曙：日期： 如文l l 第1 章概述 1 1 混凝土斜拉桥 第1 章概述 混凝土斜拉桥是一个由混凝土索塔、混凝土主梁和斜拉索组成的组合受力体系桥梁。在此组合受 力体系中，混凝土索塔为受压( 偏心受压) 构件，主梁为受弯压构件，而斜拉索为受拉构件，三者形成 桥梁的承重受力体系。 1 1 1 混凝土索塔 1 - 1 1 1 混凝土索塔的结构形式 斜拉桥的索塔主要承受通过拉索传递给塔柱的巨大压力和弯矩。斜拉桥主塔结构型式、高度、截面 尺寸以及塔底的支承型式，应根据桥位处地质情况、环境条件、斜拉桥的跨度、桥面宽度、斜拉索布置 以及建筑造型等因素决定。 斜拉桥索塔的布置形式分为沿桥纵向的布置形式和沿桥横向的布置形式，其中后者又因索面的布置 位置不同而有所差异。桥塔的纵向形式一般为单柱形，也可考虑a 型和倒y 型塔，后者刚度较大，能抵抗 较大的弯矩。 横桥向的塔柱型式见图卜1 、卜2 所示。通常的型式有：有单柱式( 图i - i ，a ) 、双柱式( 图卜2 ， a ) 、门架式( 图卜2 ，b ) 、倒v 型或a 型( 增设中间横杆时) ( 图i - i ，b ；图1 - 2 ，d ) 、倒y 形( 图 卜1 ，c ；图卜2 ，e ) ，花瓶型( 折线h 型) ( 图1 - 2 ，c ) 和钻石型( 图i - 2 ，f ) 等。 ( a ) 图i - i 单索面的索塔形式图1 - 2 双索面的索塔形式 图中卜l 中的三种型式都适用于单索面，( a ) 为单柱型；( b ) 为倒v 型或a 型( 增设中间横杆时) ；( c ) 为倒y 型。 图中卜2 中的各种型式都适用于双索面，其中( a ) 为双柱式；( b ) 为门式( 两根塔柱可以竖直，也可 以略带倾斜) ；( c ) 为h 型( 两根塔柱可以是如图所示的折线形，也可以布置成竖直形或倾斜形) ；( d ) 是 倒v 型； ( e ) 是倒y 型；( f ) 是钻石型。 单柱式桥塔( 图卜1 ，a ) 通常用于主梁抗弯、抗扭刚度较大的单索面斜拉桥。其优点是：外形简 洁、结构经济。缺点是：要求主梁有较高的抗扭刚度。设计时要注意：考虑桥塔截面尺寸时，应尽量减 小所占桥面宽度，顺桥向桥塔下端尺寸也应尽量减小，只要满足一般应力要求即可。桥塔的上部则应满 足斜拉索锚固安装的要求。 门架式桥塔( 图卜2 ，b ) 由两根塔柱和横梁( 或交叉斜撑) 组成，可抵抗较大的横向水平荷载， 构造较单柱式桥塔复杂，门架式和双柱式桥塔( 图1 - 2 ，a ) 适用于桥面宽度不大的双索面斜拉桥。 花瓶型( 图卜2 ，c ) 、a 型( 图卜1 ，b ；图1 - 2 ，d ) 、倒y 型( 图i - i ，c ；图1 - 2 ，e ) 、钻石型 ( 图卜2 ，f ) 桥塔的特点是结构横向刚度大，但构造和受力复杂、施工难度大。对于抗震、抗风要求 较高的大跨度或特大跨度斜拉桥，经常采用这类型式的主塔。 1 1 1 2 索塔的支承形式 斜拉桥索塔的支承形式大致有以下三种： 1 ) 塔墩固结。塔柱下端同结于墩项，塔柱中产生的弯矩较大，但这种形式的塔柱应具有相当的柔 性，使荷载和温度影响对结构不会产生过大的应力。 2 ) 塔梁固结。采用这种形式的主梁大都是箱型截面，此时不仅要在固结点对箱型截面作必要的补 强，并且还要在其底提供大型承载支座。 3 ) 铰接塔柱。塔柱底部在桥的纵向采取铰接形式，可减小塔柱的弯矩和降低桥跨结构的超静定次 数。当地基支承条件较差时，采用此种形式可使基础免受较大的弯矩。 除此之外，还有塔、墩和梁三者固结形式，城闸大桥就采用了这种形式。 东南大学工程硕士学位论文 1 1 1 3 混凝土塔柱的截面形式 混凝土塔柱分实心和空心两种，其截面形式多采用矩形，且一般是长边l 与桥轴线平行，短边b 与塔轴线平行，见图1 - 3 。 蒜 绅 ( b ) 图1 - 3 矩形索塔截面 近年来，为了增加线条以改善外观，塔柱的截面型式越来越多样化，图1 4 为国内斜拉桥主塔采 用的一些比较常用的非矩形截面型式。图l 一4 中：( a ) 为实体五角形；( b ) 为空心五角形；( c ) 为实体 六角形；( d ) ( e ) ( f ) 为空心六角形。 1 1 2 混凝土主梁 嘘勿 7a 叫 塔 7 以 v 纺z 么 塔轴线 ( e )( f ) 图卜4 非矩形索塔截面 一般说来，梁式桥主梁的不少横截面形式都可用于斜拉桥，但由于梁在跨间支承在一排或两排斜索 支点上，因此要求横截面的抗扭刚度比较好，而且便于斜索与主梁的连接，因此一般不用t 形截面。 混凝土主梁的常用横截面形式如图1 - 5 所示。 图卜5 ( a ) 为板式截面，结构最简单，为锚固斜索，板边时常需要加厚。它的建筑高度小，在索距 较密而桥宽不大的情况下，尚能满足一定的抗扭能力要求，因此在条件适合时也可采用。图1 - 5 ( b ) 是 经过风洞试验分析得到的一种风动力性能良好的半封闭箱形截面。此截面两侧为三角形封闭箱，端部加 厚以锚【司斜索。两三角形间为整体桥面板，除个别需要的梁段外，不设底板。此种截面在满足抗弯、抗 扭刚度的要求下，有良好的抗风动力性能，特别适合索距较密的宽桥。图1 - 5 ( c ) 为板式边主梁截面， 为常用双主梁截面的一种改进形式。双主梁可靠边布置，也可向里布置；视桥面宽度，可设或不设( 混 凝土或钢) 横梁。这种截面形式构造简单，施工方便，用料较省。图卜5 ( d ) 的闭合箱形截面有极大的抗 弯和抗扭能力，尤其适用于斜索为单平面布置的斜拉桥。将外侧腹板做成倾斜式，既可改善风动力性能， 又可减小墩台宽度。其缺点是节段重量较大。图卜5 ( e ) 为较典型的单索面单室箱形截面，箱室内沿纵 向设置一对预应力加劲斜杆，借以将索力有效地传至整个截面。将中间腹板改为斜撑并增设横撑，可以 减轻梁体重量。图卜5 ( f ) 为挪威的斯卡尔桑德桥( 主跨5 3 0 m ) 的主梁截面，其为倒三角形，对抗风特别 有利。图卜5 ( g ) 表示两个索面靠近桥中央而两侧伸出较长悬臂肋板的截面形式。图1 - 5 ( h ) 为利用三角 2 第1 章 概述 形构架将两个箱梁连接在一起，加大桥面宽度的一种截面设计。 斜拉桥主梁梁高一般可取跨度的l 1 0 0 1 3 0 0 。纵断面通常采用等高度布置。 笱o o 一3 0 0 0 掌 l 一 1 2 6 0 3 墨l 猢l l j 蕊。 飞i 。- 柚 1 2 数1 t ) 矗) 图卜5 混凝土主梁常用截面形式( 单位：c 1 1 ) 1 1 - 3 斜拉索 1 1 3 1 斜拉索的布置 斜拉索按其所组成的平面，通常分为单索面、双索面和多索面，其中双索面又可分为平行双索面和 空间双索面两种( 图卜6 ) 。多索面往往应用于超宽桥面( 桥宽超过4 0 r e ) 的斜拉桥。 ( a )( b )( c ) 图1 - 6 斜拉索面布置 图卜6 ( a ) 为单索面。单索面设置在桥梁纵轴线上，这对于设置有中央分车带的桥梁特别合适， 基本上不需要增加桥面宽度，具有最小的桥墩尺寸和最佳的视觉效果。但是，单平面斜索只能支承竖向 荷载，拉索对主梁抗扭不起作用，由于横向不对称活载或( 和) 风力产生的作用而使主梁受扭，因此，主 梁横截面宜采用抗扭刚度较大的闭合箱型断面。 图卜6 ( b ) 为平行双索面。平行双索面又有两种布置方式：一是将索平面布置在桥面宽度外侧， 另一是将索平面布置在桥面宽度之内。采用平行双索面时，作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗， 主梁可采用较小抗扭刚度的截面。 图卜6 ( c ) 为空间双索面。空间双索面对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利( 斜向双索面限制了主梁 的横向摆动) 。倾斜的双索面应采用倒y 形、a 形或钻石形索塔。双斜索面的拉索可以提高结构的抗扭 刚度，空间双索面体系斜拉桥的抗风动力性能好。 根据斜索在索平面内的布置，它又可以分为辐射型、竖琴型和扇型三种形式( 图1 7 ) 。斜拉索的倾 3 东南大学工程硕士学位论文 角一般为2 5 。6 5 。角，最小不小于2 1 。角。 ( a ) ( b ) ( c ) 图1 - 7 斜拉索立面布置图 图1 7 ( a ) 为辐射型。辐射型布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。这 样各斜拉索都具有可能的最大倾角。故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大。由于索力主要由垂直 力的需要而定，因此斜索拉力较小。索用量最省，与竖琴形布置相比，辐射型布置可节省拉索材料1 5 2 0 ；而且辐射索使结构形成几何不变体系，对变形及内力分布都有利。这种做法的缺点是：有较 多数量的斜索汇集到塔项，将使锚头拥挤，构造处理较困难：塔身从项到底都受到最大压办，自由长度 较大，塔身刚度要保证压曲稳定的要求。 图1 7 ( b ) 为竖琴型。竖琴型布置中的斜拉索成平行排列，因此各索倾角相同，外形最美观，具有 很好的韵律；各对斜索分别连接在塔的不同高度上，索与塔的连接构造易于处理；由于倾角相同，各索 的锚固构造相同，塔中压力逐段向下加大，有利于塔的稳定性。但是各对索拉力的差别将在塔身各段产 生较大的弯矩；由于是几何可变体系，对内力及变形的分布较不利，不过可以用边跨内设置辅助墩的办 法来加以改善。竖琴型布置时斜拉索倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。 图1 7 ( c ) 为扇型。扇型布置的斜拉索是不相互平行的，是介于辐射形和平行形之间的拉索布置形 式，一般在塔上和梁上分别按等间距布置，兼顾了以上两种形式的优点而减少其缺点，因此有较多的斜 拉桥采用这种形式。 根据斜索在主梁上的间距，有稀索( 对于钢梁，间距大约为3 0 6 0 m ，对于混凝土梁，约1 5 3 0 m ) 与 密索之分。在早期的斜拉桥中都为稀索体系( 超静定次数少) ，现代斜拉桥则多为密索体系。密索优点如 下：索距小，主梁弯矩小；索力较小，锚固点构造简单；锚固点附近应力流变化小，补强范围小；利于 伸臂架设；易于换索：拉索断面纤细，美感度提高。 斜拉桥采用悬臂法架设时，索间距宜为5 - 1 8 m 。混凝土主梁因自重大，索距应密些，一般不大于1 0 m 。 较大的索距适合于钢( 1 2 2 0 m ) 或钢混凝土组合主梁( 9 - 1 8 m ) 。 1 1 3 2 斜拉索的类型 斜拉索对斜拉桥的工作状态影响很大，而且造价约占全桥的2 5 一3 0 。每一根斜拉索，都包括钢 索和锚具两大部分。在现代大跨度斜拉桥中，斜拉索的构造基本上分为整体安装的斜拉索和分散安装的 斜拉索两大类。前者的代表是平行钢丝索( 图卜8 ，a ) ，后者的代表是平行钢铰线索( 图卜8 ，b ) 。 平行钢丝索由巾5 - - 7 m m 高强镀锌钢丝组成，一般排列成六边形，整体在工厂制造。将平行钢丝索中的 钢丝换成等截面的钢绞线即为平行钢铰线索。钢铰线成盘运至现场后，截取需要长度，逐根安装和张拉。 它适用于跨度大因而索也大的斜拉桥中。 为了提高斜索的耐久性，延长使用寿命，减少养护工作，在斜拉桥中斜索的防护工作要加以重视。 目前使用最广泛的防护措施是用热挤法在钢丝束上包一层聚氯乙烯套管( 简称p e 套管) 。 ( a ) 。：j ；。：j 豫努| 图1 8 斜拉索的截面类型 4 ( b ) 一 兰! 兰塑堕 1 1 4 斜拉桥的总体布置 1 1 4 1 孔跨布置 ，掣拉桥孔跨布置主要可分为双塔三跨式、独塔双跨式和多塔多跨式等三种形式。在特殊情况下，斜 拉桥也可以布置成独塔单跨式或者混合式。 跨 比 在 著 边 一 边跨上 中跨工 边跨三 励念么添 惕一h 。jl j k 一永妙 个边 l z 的 需要 不显 台) 独塔双跨式斜拉桥也是一种常见的孔跨布置方式，如图1 1 0 所示重庆年 f - j 嘉陵江大桥即为独塔双 跨式斜拉桥。本文介绍的城闸大桥亦属于这种结构。独塔双跨式斜拉桥可以布置成两跨不对称的形式， 即分为主跨与边跨；也可以布置成两跨对称，即等跨形式。其中以两跨不对称的形式较多，也较合理。 独塔双跨式斜拉桥的边跨跨度l 1 与主跨跨度l 2 的比例通常介于0 6 0 7 之间。由于它的主孔跨径一般 比双塔三跨式的主孔跨径小，故特别适用于跨越中小河流、谷地及交通道路：当然也可用于跨越较大河 s x + = 娟h 圈卜l o 独塔双跨式斜拉桥( 重庆石门嘉陵江大桥) 在跨越宽阔水面时，由于通航孔要求，必要时也可采用三塔斜拉桥，如湖北宜昌夷陵长江大桥( 主跨 2x 3 4 8 m ，主梁为混凝土箱型梁，悬臂拼装施工) 。多塔多跨式的斜拉桥应用较少，这是由于多塔多跨式 斜拉桥的中间塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，结构的刚度较低。增加主梁的刚度可以在一定程 度上提高多塔斜拉桥的整体刚度，但这样做必然会增加桥梁的自重。在必须采用多塔多跨式斜拉桥时， 可将中间塔做成刚性索塔，此时索塔和基础的工程程量将会增加很多，或用斜拉索对中间塔顶加劲，但 这种长索柔度较大，且影响桥梁的美观。 1 1 4 1 结构体系 按照塔、梁、墩相互结合方式，斜拉桥的结构体系可划分为飘浮体系、半飘浮体系、塔梁固结体系 和刚构体系。如果按照主梁的连续方式划分，则有连续体系和t 构体系等。 1 ) 飘浮体系 飘浮体系( 图卜l l a ) 的特点是塔墩固结、塔梁分离。主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊， 5 布蝴还多常挈，过列 一一一一 屯对儿宜越掀瓣觥糊蝴 麟瓣鞭商勰 一一一一一 东南大学工程硕士学位论文 属于一种在纵向可稍作浮动的多跨弹性支承连续梁。空间动力分析表明，斜拉索是不能对梁提供有效的 横向支承的，为了抵抗由于风力等引起主梁的横向水平位移，一般应在塔柱和主梁之间设置一种用来限 制侧向变位的板式或聚四氟乙烯盆式橡胶支座，简称侧向限位支座。 该体系的主要优点是主跨满载时，塔柱处的主梁截面无负弯矩峰值；由于主梁可以随塔柱的缩短而 下降，所以温度、收缩和徐变内力均较小。密索体系中主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力较 均匀：地震时允许全梁纵向摆荡，成为长周期运动，从而吸震消能。目前，大量的斜拉桥均采用漂浮体 系。 飘浮体系的缺点是：当采用悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结，以抵抗施工过程中的不平衡弯矩 和纵向剪力。由于施工不可能做到完全对称，成桥后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动，应予注意。 ( a )( b ) ( c )( d ) 图1 - 1 1 斜拉桥的结构体系 2 ) 半飘浮体系 半飘浮体系( 图1 - 1 1 b ) 的特点是塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承 的三跨连续梁。可以是一个固定支座，三个活动支座；也可以是四个活动支座，一般均设活动支座，以 避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位。水平位移将由斜拉索制约。 半飘浮体系若采用一般支座来处理则无明显优点，因为当两跨满载时，塔柱处主梁有负弯矩尖峰， 温度、收缩、徐变次内力仍较大。若在墩顶设置一种可以用来调节高度的支座或弹簧支承来替代从塔柱 中心悬吊下来的拉索( 一般称“零号索”) ，并在成桥时调整支座反力，以消除大部分收缩、徐变等的不利 影响，这样就可以与飘浮体系相媲美，并且在经济和减小纵向漂移方面将会有一定好处。 3 ) 塔梁同结体系 塔梁固结体系( 图1 - 1 l c ) 的特点是将塔粱固结并支承在墩上，斜拉索变为弹性支承。主梁的内力 与挠度直接同主梁与索塔的弯曲刚度比值有关。这种体系的主梁一般只在一个塔柱处设置固定支座，而 其余均为纵向可以活动的支座。 这种体系的优点是，显著减小主梁中央段承受的轴向拉力，索塔和主梁的温度内力极小。缺点是中 孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大的水平位移，从而显著地增大主梁跨 中挠度和边跨负弯矩；另外上部结构重量和活载反力都需由支座传给桥墩，需要设置很大吨位的支座， 在大跨径斜拉桥中，这种支座甚至达到上万吨级，这样给支座的设计制造及日后养护、更换均带来较大 的困难。 4 ) 刚构体系 刚构体系( 图1 - 1 l d ) 的特点是塔梁墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。本文介绍 的城闸大桥就属于这种体系。 这种体系的优点是既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；结构的整体刚度比较好，主 梁挠度又小。缺点是主梁同结处负弯矩大，使圊结处附近截面需要加大；再则，为消除温度应力，应用 于双塔斜拉桥中时要求墩身具有一定的柔性，常用于高墩的场合，以避免出现过大的附加内力。另外， 这种体系比较适合于独塔斜拉桥。采用刚构体系的斜拉桥有：广东崖门大桥，广东金马大桥，长沙湘江 北大桥，美国d a m e p o i n t 桥，美国s u n s h i n e s k y w a y 桥等。主梁除了采用连续梁体系外，也曾有个别斜拉 桥采用在跨中无索区段插入一段挂梁的形式，但它有损于桥梁的整体性和桥面的连续性，对行车不利， 因此现已很少采用。此外，也有在主梁跨中设铰的布置，这种剪力铰的功能是只传递剪力和轴力，不传 弯矩。它可以起到缓解温度应力的作用，但同样对行车不利，加之剪力铰在设计、施工及养护等方面的 难度，故一般很少采用。 斜拉桥多数是自锚体系。只有在如主跨很大边跨很小等特殊情况下，少数斜拉桥才采用部分地锚式 的锚拉体系。如西班牙鲁娜( l u n a ) 桥和湖北郧阳汉江桥。 6 第1 章概述 1 2 混凝土斜拉桥主梁施工方法 混凝土斜拉桥主粱的施i 方法有支架法、顶推法和悬臂施j ：法三种常崩方法。对于目前的k 大斜拉 桥，尤其是多跨密索斜拉桥，往往是多种施上方法的组合最常的是支架现浇和悬臂施工的结台，即 先采用支架法捕工墩顶0 号块箱粱。然后在墩顶0 号块箱粱上组装挂篮，再利用挂篮从桥塔向两侧悬臂 施工，直至边跨及中跨的台拢。 1 2 1 支架法菇工墩顶0 号块箱粱 墩项0 号块箱粱施工是混凝土斜拉桥主梁施工的开始，目前最常用的方法是采用增旁支架法立模现 浇( 圈1 1 2 ) 。其施工流程是：支架设计一地基处理一支架搭设一支架预压一底模安装一底板及腹板钢 筋绑扎一膜板模及顶模安装一顶板暂i 筋绑扎一混凝土浇注。 0 号块主粱 目卜1 2 支架法施工堪顶0 号块藉集 由于是在支架上现浇棍凝土，支架是主要支承系统故支架系统的稳定性和刚度，是确保施工安全 的关键田素之一。目前常用的支架形式有钢管桩支架、碗扣式钢管支架、移动模架等。 支架系统虽为l 临时工程，但田其为空自】结构，地基与基础的约束和承载条什亦不一致，致使其受力 变得复杂，精确验算变得困难，因此，在支架设计时应综合分析各种不利影响因素，确保支架系统具有 较人的安全系数。支架措设完成之后，必须进行土架预压，一方面是验证z 问的稳定性，另一方面也是 确定支架的弹性和非弹性变形，为底模的立模标高提供依据，支架一般是措设在地基e 的闻此确保支 架 圭旆工安全的另一个关键因素是地基的稳定性。支架搭设上前，必须对支架范围内的地基进行处理 地基处理方法很多，有碾压、参灰、换填、砼硬化等。无论是哪种方法要达到的最后效果是一样的，即 处理后的地基必须具肯定的承载能力且基本均匀，防止不均匀沉降的产生。 1 2 2 主粱挂篮悬浇 混凝土斜拉桥主粱标准段的捕工通常采用挂篮进行悬臂现浇。挂篮是实现悬臂浇筑用的移动脚手 架和模板支承结构。目前常用的挂篮形式有：利用斜拉素作前支点的牵索式挂篮和无平衡重的后支点挂 篮。它一般由承重系统、锚吊系统、底篮系统、内模系统、行走系统五部分组成。图卜1 3 为城闸太桥 采用的后支点抟篮模型。 囤卜1 3 主集挂篮最娆 东南大学工程硕士学位论文 主梁挂篮悬浇施工工艺流程为：挂篮荷载试验一挂篮行走就位一外模系统提升、锚同及标高调整一 底、腹板钢筋绑扎、预应力束( 筋) 及索道管安装一内模安装一项板钢筋及预应力束( 筋) 安装一混凝 土浇筑一混凝土养护等强一内模拆除一预应力束( 筋) 张拉、压浆及封锚一斜拉索安装及张拉一外模卸 载落篮一挂篮行走一下一个节段循环施工。 斜拉桥挂篮悬臂施工和其他施工最大的不同之处是施工中的线形监控。挂篮行走提升到位后，应按 照监控指令的要求对底模的标高、轴线进行调整。由于梁段砼自重、日照温差、已成梁段的施工误差、 塔柱的压缩变形、挂篮的弹性和非弹性变形等因素都会使悬臂段的标高发生变化，因此立模标高的准确 与否将直接影响到桥梁的线形，进而影响到最后能否顺利合拢。为了最大限度地使合拢后的桥梁线形符 合设计要求，监控单位除了提供考虑各种因素影响下的准确的立模标高外，还必须对各悬臂施工节段各 工况下的线形进行监控，以便在施工过程中及时调整偏差，为下一节段的立模标高提供依据。由于悬臂 施工时梁体的线形变化是一个不可逆的过程，若监控不及时或数据不准确，将很难通过二次施工或测量 加以补救，因此为了使线形控制达到预期目的，除了在主梁施工前对测点的布设、测量的方法和精度等 内容要进行认真研究外，施工中还特别应注意以下事项： 1 ) 严格控制悬浇梁段的混凝土方量，尽量不要超方，以减少实际值与计算采用值之间的误差； 2 ) 立模必须在当日晚上十点至次日凌晨日出之前完成，以避开不均匀温度场的影响。同时定期对 温度对悬臂段标高的影响情况进行观测，并对观测成果进行分析，为全桥的立模标高和线形调整提供依 据； 3 ) 保证挂篮预留孔位置准确。因为当预留孔位置偏差较大时，挂篮不好调甚至调整不到中线位置。 同时，为了防止砼振捣时预留孔的跑位，预留孔要用钢筋固定牢固； 4 ) 悬臂施工时箱梁顶面所堆放的材料、设备等临时荷载的数量和堆放位置必须严格控制，严禁超 载、偏载； 5 ) 为确保顺利合拢，从合拢段前2 个梁段起，对合拢段两侧各梁段的标高和线形进行联测，并在 这2 个梁段内逐步调整，以控制合拢精度； 6 ) 监控点要有明显标记，并在施工中妥善保护，避免碰撞后弯折变形。 1 3 混凝土斜拉桥主梁施工期裂缝与质量问题 前面已经提到，混凝土斜拉桥主梁因结构上特点不同而采用不同的施工方法，即在桥塔附近的主梁 节段一般采用在支架上现浇混凝土施工，这些梁段一般是现浇混凝土方量大，纵横梁结构布置复杂，非 预应力、预应力钢束及孔道布置密集，采用整体或分层浇注混凝土，施工难度较大；而在斜拉桥跨间的 主梁节段一般为标准节段，一般采用悬臂现浇混凝土的施工方法，施工工艺较为常规。因此，混凝土斜 拉桥主梁施工期间最容易出现质量问题的是在支架上现浇混凝土的梁段。混凝土斜拉桥支架现浇主梁施 工的质量问题主要有混凝土蜂窝麻面、混凝土松散不密实、梁体出现空洞露筋、变形过大以及梁体混凝 土裂缝等，而梁体混凝土裂缝是影响混凝土斜拉桥主梁结构施工质量和安全的主要因素。 混凝土开裂可以说是混凝土支架现浇箱梁的常见病和多发病，经常困扰着桥梁施工工程技术人员。 现浇混凝土施工裂缝统称为混凝土的早期裂缝，从性质上讲可分为受力裂缝和非受力裂缝。受力裂缝是 指由于直接作用( 荷载) 产生的裂缝，对混凝土早期裂缝而言亦指在施工荷载作用下，例如自重、施加 预应力、超限的施工临时荷载、结构受力模式改变( 如体系转换不当、支架不均匀沉降等) 等作用产生 的混凝土裂缝；非受力裂缝是指由于混凝土构件的变形受到约束过大而产生的裂缝，例如大体积混凝土 水花热引起混凝土构件内外温差过大，混凝土养护表面降温过快引起的内外温差，混凝土收缩过大及养 护不及时等原因引起的裂缝。 受力裂缝的主要特点为：裂缝宽度宽、长度长，多呈线状，分布有一定的规律性，多出现在结构受 拉区、受剪区或振动严重部位。比较典型的箱梁受力裂缝是腹板斜裂缝。究其原因，一者可能是设计欠 周全，如截面不够、梁的跨度过大、高度偏小，或者由于计算错误，受力钢筋截面偏小或板太薄、配筋 位置不当、节点不合理、结构构件断面突变或因开洞、留槽引起应力集中，构造处理不当，现浇主梁在 搁次梁处如没有设附加箍筋，或附加吊筋以及各种结构缝设置不当等因素均容易导致混凝土的开裂；二 者可能是施工不当，如提前拆模、过早张拉、提前落架等导致箱梁混凝土过早受力而产生裂缝，或由于 支架变形、支架地基的不均匀沉降等导致箱梁开裂。受力裂缝的一旦出现将严重影响到结构的强度和刚 度，进而影响到这个结构的安全。因此，出现了受力裂缝的混凝土箱梁往往需根据现场实际情况对箱梁 结构进行加固处理。 非受力裂缝的只要特点为：裂缝宽度较小，长度长短不一，多呈网状或龟裂状，分布没有规律性。 比较典型的箱梁非受力裂缝是温度裂缝。究其原因主要有：1 ) 水化热。如大体积混凝土浇筑之后由于 水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝；2 ) 骤然降温。突降大雨、冷 8 第1 章概述 空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度，导致 混凝土开裂；3 ) 蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，导致裂缝出 现：4 ) 新老混凝土收缩不一致。由于两次砼浇注的时间间隔过长，此时腹板和底板的收缩变形已基本 完成，而二次浇注项板砼时没有采取可有效减少砼收缩的措施，项板降温必将产生较大收缩，而既有腹 板和隔梁对顶板收缩变形的约束较大，这将有可能使项板内产生较大的拉应力，而产生裂缝。非受力裂 缝虽说不会像受力裂缝一样对结构的安全性产生严重影响，但将严重影响结构的外观质量和耐久性，所 以应根据非受力裂缝的不同的程度采取不同的处理方式。如果只是表层裂缝，则只要封闭处理，如果裂 缝较深，则需要进行封闭注浆或结构加固。 受力裂缝和非受力裂缝虽然有不同的特点，但很多时候往往是两者同时存在而使现场裂缝分布显得 格外复杂，使现场技术员难以判定其性质，进而无法及时采取有力的工程措施。 1 4 研究的主要内容 近年来，随着我国交通事业的发展，斜拉桥工程由于其独特的优势( 造型美观、跨度大、结构刚度 较悬索桥大) ，越来越受到桥梁设计者们的青睐。许多斜拉桥经过一段时间的使用，显现出许多显而易 见的优点，但也出现了一些桥梁病害问题。特别是一些混凝土斜拉桥，可能产生的缺陷、病害是与设计 和施工有关系的。 混凝土斜拉桥主梁在支架现浇混凝土箱梁段( 主要是墩顶0 号块箱梁) 是斜拉桥体系的关键部位， 与标准节段箱梁相比其结构复杂，主要是箱室增多，同时还设有横隔梁，施工难度相对较大，稍有不慎， 很容易产生裂缝。 本文研究的工程背景为位于南通市的城闸大桥，该大桥主桥是( 1 4 2 + 1 1 0 + 2 4 5 ) m 的独塔混凝 土斜拉桥。城闸大桥在主梁支架现浇段( b o 、s b l 、s b 2 、n b l 、n b 2 节段) 施工完成之后，在b o 节段箱 梁的2 4 个箱室中，斜腹板和顶板均出现了不同程度的规则贯通性、斜4 5 度方向的裂缝，裂缝较为严重 的为靠近主塔南北两侧的l o 个箱室。 桥梁的施工质量是重要的工程问题，根据大桥设计技术要求是不允许出现箱梁裂缝的。为了保证桥 梁在以后的施工阶段和运营阶段满足设计所有功能的目标，必须对b 0 节段箱梁裂缝进行处理及加固。 本文研究的主要内容是： 1 ) 结合城闸大桥主梁在支架上现浇箱梁节段混凝土裂缝的检查，采用桥梁结构设计理论及结构有 限元分析方法，从施工现场和方法方面研究混凝土裂缝产生的原因； 2 ) 对产生裂缝的混凝土箱梁节段，从成桥状态的箱梁受力及使用阶段受力出发，研究对混凝土箱 梁节段加固的方案及方法； 3 ) 研究结合混凝土箱梁节段加固进行混凝土裂缝处治措施研究。 9 东南大学工程硕士学位论文 2 1 工程概况 第2 章城闸大桥工程概况及技术要求 城闸大桥横跨通吕运河，位于通扬运河与通吕运河汇合处西侧，南接孩儿巷北路，北与外环北路相 交，桥位处河道纵横交错，呈五水交汇之态。 城闸大桥桥梁总长5 9 6 2 m ，总宽度为3 4 m ，主桥为1 4 2 + 1 1 0 + 2 4 5 m 独塔中央索面斜拉桥，北引桥 为6 2 5 m 连续梁桥，南引桥为4 x 2 5 m 连续梁桥。桥梁两侧引道长度北岸为1 4 6 m ，南岸为2 4 7 m ，引道 宽度为3 8 m ，横断面为4 m 中央分隔带+ 2 1 i m 机动车道+ 2 x 3 5 m 非机动车道+ 2 2 5 m 人行道。南岸设 置匝道与主线沟通。北引桥和南引桥各预留一个桥下通道，净空高度为4 5 m 。 城闸大桥主桥为独塔中央索面预应力混凝土箱梁斜拉桥( 塔、墩和梁同结) ，全长3 4 2 米，主跨1 4 2 米，跨度组成为1 4 2 + ( 1 1 0 + 2 x 4 5 ) = 3 4 2 米。桥面宽度组成：2 5 ( 人行道含栏杆) + 3 5 ( 非机动车道) + 0 5 ( 隔离栏) + 8 5 ( 行车道) + 4 0 ( 中间分隔带及索锚区) + 8 5 ( 行车道) + o 5 ( 隔离栏) + 3 。5 ( 非 机动车道) + 2 5 ( 人行道含栏杆) = 3 4 o m 。其中外侧一个车道近期为非机动车道。近期按双向四车道设 计，远期按六车道考虑桥梁纵坡北侧为2 4 8 ，南侧为1 9 8 4 ，设r = 8 0 0 0 米凸曲线。 下部结构共有5 个墩台，6 号、1 0 号为边墩，8 号、9 号为辅助墩、7 号为主塔墩。主塔墩采用群 桩基础，每墩设4 2 根1 8 米钻孔桩，呈7 6 行列式布置，桩长8 2 米。承台厚4 5 米，平面尺寸3 0 9 x 2 1 6 米。6 号、1 0 号墩设6 根0 1 5 米钻孔桩，8 号墩设4 根1 8 米钻孔桩，9 号墩设8 根1 5 米钻孔桩。 6 号、1 0 号墩桩长8 7 米，8 号墩桩长7 5 米，9 号墩桩长8 5 米。承台厚度均为2 米，水中承台迎水面设 置为圆端形。6 号、1 0 号墩身采用分离式矩形板式桥墩，8 号、9 号墩采用分离式圆端形板式桥墩。所 有桩基础均按摩擦桩设计，采用水下c 2 5 级混凝土，其它下部结构均采用c 3 0 级混凝土。详见图2 一l 。 2 5 2 0 09 0 0 0 1 4 2 0 0 1 1 0 0 0 2 1 4 5 l l 孩儿巷北路 j 0 、_ ，_ 一 i b是)d) l) a 圈2 - - i 桥跨布置图( 单位：c _ ) 2 1 1 主塔 主塔为独柱式塔，承台以上塔高为7 7 7 8 米，采用c 5 0 高强度混凝土。 主塔纵桥向宽度下塔柱为7 米，中、上塔柱由塔顶6 2 米渐变至中塔柱底7 米。中、上塔柱均为单 箱单室截面。下塔柱为单箱双室截面。塔、梁交接处为实体段，厚3 米。 上、中塔柱横向宽度均为3 5 米，下塔柱横桥向等宽为1 4 米。塔上索距为1 8 米。主塔截面尺寸 如下：中、上塔柱纵桥向壁厚为o 7 5 米，横桥向壁厚由上塔柱顶1 2 米渐变至中塔柱底1 6 米。下塔 柱纵、横桥向壁厚均为1 0 米，内壁厚5 1 米。 主塔上塔柱斜索锚固区设环形预应力，采用r y = 7 5 0 m p a 、3 2 m m 精轧螺纹预应力粗钢筋，在塔柱纵、 横桥向每侧塔壁分别布置2 排、3 , - - - 4 排。 1 0 第2 章城闸大桥工程概况及技术要求 2 1 2 主梁 主梁为倒梯形展翅箱梁，单箱五室结构，采用c 5 0 高强度混凝土。 箱顶全宽3 4 米，箱梁底宽1 4 米，悬臂板长4 2 5 米，设双向1 5 横坡。主梁高3 0 米，在中央索 区段主梁顶加厚1 2 c m 。梁上索距6 2 米。有索区主梁标准截面尺寸如下：项板厚o 2 4 米，底板厚0 3 米，中间竖腹板厚o 3 5 米，两边o 2 5 米，斜腹板厚0 2 4 米，横梁厚0 5 米。边跨4 5 米跨梁段除竖腹 板厚度为0 4 5 米，横隔梁厚度为0 3 米外，其余同有索区主梁标准截面( 图2 2 ) 。全桥横梁间距基 本上为6 2 米。 主梁设竖、横、纵向预应力。竖向预应力采用r y = 7 5 0 m p a ，3 2 m m 精轧螺纹预应力粗钢筋，在主梁 斜拉索锚固区设置。横向预应力分桥面横向预应力和横隔墙内的横向预应力两种。桥面横向预应力采用 r y = 1 8 6 0 m p a ，5 由j 1 5 2 4 咖扁束，按0 5 m 的间距全桥等距离布置；横隔墙内的横向预应力按照横隔墙 的位置大致分为三种：挂蓝悬浇节段横隔墙内布置2 束2 2 由j 1 5 2 4 预应力束，支架现浇墩顶处横梁处 布置1 0 束1 9 由j 1 5 2 4 预应力束，非墩顶处横梁布置2 束1 9 由j 1 5 2 4 预应力束。纵向预应力依施工步 骤分为二种：施工用预应力及合拢预应力。施工用预应力采用r y = 7 5 0 m p a ，0 3 2 彻精轧螺纹预应力粗 钢筋，布置在顶板和底板；合拢预应力采用9 由j1 5 2 4 高强度低松弛钢绞线，布置在合拢段两侧梁段的 顶板和底板。 图2 2 主粱标准断面( 单位：_ ) 2 1 3 斜拉索 斜拉索采用中央索面，全桥共1 9 对( 7 6 根) 斜拉索。斜拉索采用7 m 镀锌平行钢丝，外挤双层 p e ，内层为黑色，外层为乳白色，钢丝标准强度r y = 1 6 7 0 m p a 。斜拉索规格共7 种，即：1 3 9 p 7 ( 表示 由1 3 9 根直径为7 m m 的高强钢丝组成，下同) 、1 5 1 0 7 、1 6 3 7 、1 8 7 0 7 、1 9 9 7 、2 1 1 7 、2 2 3 7 。 斜拉索在主梁处最小倾角约2 6 0 。，最大倾角约5 9 8 。 斜拉索锚具采用冷铸墩头锚，梁端及塔端锚具均采用张拉端锚具。斜拉索在预埋钢导管内设置阻尼 器。 2 1 4 支座和伸缩缝 7 号主塔处塔、墩、梁固结。边墩、辅助墩处竖向均设活动盆式橡胶支座。横向边墩处设横向挡块。 桥梁伸缩缝采用模数式伸缩缝，主桥与引桥相接处为x f i i 一1 6 0 型伸缩缝，引桥与引道相接处为x f i i 8 0 一b 浅型伸缩缝。 2 2 主要技术标准 1 ) 桥梁设计荷载：