普通钢筋混凝土箱梁桥腹板竖向裂缝成因分析.docx

普通钢筋混凝土箱梁桥腹板竖向裂缝成因分析丁勇赵启林马方圆段金辉(解放军理工大学工程兵工程学院 ,南京 210007)摘 要 :通过对江苏省内高速路段 88 座普通钢筋混凝土箱梁桥进行的 23 次检测统计 ,发现腹板竖向裂缝是该类桥梁十分普遍的一种病害 。于是结合一座实桥的检测和相关试验数据 ,综合考虑了水化反应 、日照 温差 、相对湿度差以及混凝土自身收缩等因素作用 ,利用有限元方法分析计算了腹板应力状态变化过程 。分析计算结果表明 :腹板拆模初期开裂的主要因素是水化反应 ,而裂缝后期扩展的主要因素则是腹板内外收缩差以及混凝土整体收缩受钢筋约束作用 。关键词 :竖向裂缝 ; 箱梁 ; 腹板 ; 收缩 ; 裂缝a nalysis of vertical web cracks of o rd inary reinfo rcedco ncrete box2gird er brid geding yo ng zhao qilin ma fa ngyua n dua n j inhui( engi neer instit ute of engineering co rp s , pl a u niv1 of sci1 & tech1 , na njing 210007 ,china)abstract :during 23 detectio n stati stics of 88 o r dina r y reinfo rced co ncrete bo x2gir der bridge s i n j iangsu pro vince , vertical web cracks were fo und to be t he co mmo nest haza r d of t hi s t yp e of bridge1 ba sed o n detecting a nd related exp eri mental data o n a specific bridge , ta king hydratio n , diff erence in temperat ure fo r sunshine , relative humidit y i ncrement and self2shrinkage increment all into co nsideratio n , t he st re ss state of web i s calculated wit h f em1 the result s of a nal ysi s a nd calculatio n sho w t hat hydratio n i s a majo r f acto r of web cracks during molding boa r d di smantlement , t he lat ter expa nsio n of cracks i s mai nly beca use of shrinkage increment of web a nd reinfo rced binding w hen co ncrete shrinkage a s a w hole1key words :vertical crack s ; bo x2gir der ; web ; shrinkage ; crack s台段) ,15) 宁淮高速 ( 雍马段) ,16) 汾灌高速 ,17) 苏州绕城高速 (苏昆太) ,18) 润扬长江公路大桥 ( 南北 接线) ,19) 润扬长江公路大桥 ( 引桥) ,20) 盐通高速 (南通段第一次) ,21) 盐通高速 (南通段第一次) ,22) 沪宁高速 ,23) 连徐高速 。通过对这些统计的分析 ,发现普通钢筋混凝土 箱梁桥裂缝在形态和分布上具有以下几点规律 :1) 翼板基本以横向裂缝为主 ,在桥梁纵向基本 呈现均匀分布的特征 ,即在支座 、l / 4 与跨中基本以 等概率出现 。2) 腹板基本以竖向裂缝为主 ,而且在桥梁纵向 也基本呈现均匀分布的特征 。3) 底板基本以横向裂缝为主 ,存在少数纵向裂0 前 言在我国的桥梁建设中 ,箱梁是大跨度混凝土桥 梁常用的一种截面形式 ,而混凝土开裂是箱梁桥最 为普遍的病害形式 ,而且一些形式的裂缝直接反映 了结构的受力特性 ,严重影响了结构的承载力和长 期使用性能 。因此对箱梁桥裂缝统计有着极其重要的意义 。项目组对江苏省境内的高速公路段箱梁桥裂缝 情况进行了 23 次检测统计 ,其中包括 : 1) 沪苏浙高速公路 (江苏段) ,2) 京沪高速 (扬州段) ,3) 宁蚌高速(江苏段第一次) ,4) 宁蚌高速 (江苏段第二次) ,5) 宁 宿徐高速公路 ,6) 苏沪高速 ,7) 沿江高速 (常州2江阴 段) ,8) 宁通 、通启高速 ,9) 苏州绕城高速 ( 西南段第 一次) ,10) 苏州绕城高速 ( 西南段第二次) ,11) 苏州绕城高速 (西北段第一次) ,12) 苏州绕城高速 ( 西北 段第二次) ,13) 盐通高速 ( 大丰段) ,14) 盐通高速东indust rial co nst r uctio n vol1 39 , supplement ,20093 国家 863 项目资助 ( 2007 a a11 z120) 。第一作者 :丁勇 ,男 ,1985 年 8 月出生 ,硕士研究生 。 收稿日期 :2008 - 12 - 10工业建筑 2009 年第 39 卷增刊 919缝与竖向裂缝 。而翼板 、腹板和顶板裂缝在数量和出现概率上 又具有如表 1 所示规律 。从表 1 可以看出 ,在统计的 88 座普通钢筋混凝 土箱梁桥中 ,出现腹板裂缝的占绝大多数 ,其次是出 现翼板裂缝的 , 底板 和顶 板 出现 裂缝 的 数量 较少 。 本文将具体结合检测中的一座实桥 ,通过有限元方 法 ,计算分析导致腹板出现竖向裂缝的本质原因 。1 - 裂缝 1 ;2 - 裂縫 2 ; 3 - 裂缝 3图 2 裂缝最大宽度时程图度 ,最深达到腹板厚度的 1/ 3 , 一般都是几厘米 , 裂缝在跨度方向均匀分布 ,在腹板两侧基本对称分布 ; 单条底板横向裂缝在长度方向的宽度基本一致 ,深 度达到横向钢筋表面 ,在跨度方向均匀分布 ,间距基本与横向钢筋间距一致 ; 翼板裂缝与腹板裂缝不连 通 ,从腹板与翼板交界处开始发生 ,向上发展到一定 距离后停止 ,一般不会到达翼板外边缘见图 3 。表 1 不同部位裂缝数量表有翼板裂 有腹板裂 有底板裂缝的数量 缝的数量 缝的数量有顶板裂缝的数量统计总数数量/ 座885057121比例/ %10056651411 51 桥梁概况某三跨普通钢筋混凝土连续箱梁桥 (3 20 m) , 采用满堂支架的施工方案 ,纵向一次性浇筑 ,竖向上 下分层浇筑 ,下层为底板和腹板 (至上承接点) ,上层 为箱梁顶板 ,在下层浇筑 7 d 后浇筑顶板混凝土 ,在 底模没有拆除的情况下进行顶板混凝土浇筑 ,10 d 后拆除左右模板 。箱梁采用 c50 混凝土 ,顶板和底板外 侧纵向钢筋采用 28 的 ii 级钢筋 ,内侧和腹板纵向钢 筋采用 12 的 ii 级钢筋 ,详细配筋见图 1 。图 3 腹板与翼板典型裂缝除发现裂缝的发展与分布特征在所检测桥梁中具有相当代表性外 ,上海对六座普通钢筋混凝土梁 的腹板竖向裂缝进行的跟踪监测与研究也发现了类似规律 1 : 即腹板在拆模时就出现细如发丝的竖向 裂缝 ,且在拆除模板过程中有“嘎嘎”声响 ,裂缝在跨 长方向基本是均匀分布 ; 数月后 ( 没有通车前) 就达 到了 01 301 5 mm 左右 。2腹板竖向裂缝成因分析从产生原因来分 ,裂缝主要包括荷载裂缝和变 形裂缝 。从检测结果来看 ,以上裂缝均在拆模时出 现 ,通车前发展充分 ,在此期间并没有活载作用 ,因 此可以判断这些裂缝均为变形裂缝 。这个阶段导致图 1 桥梁截面配筋该桥在 2005 年 1 月份开始施工上部结构 ,在桥梁拆除模板时 ,腹板上发现竖向裂缝 ,翼板与底板上 发现横向裂缝 ,但是数量较小且宽度都如发丝一般 ; 拆模 3 个月后 、交工验收时发现腹板与翼板上裂缝数量与宽度均有所发展 ,但不是非常充分 ,宽度普遍小于 01 15 mm ; 到 10 月正式通车时 ,发现腹板与翼 板裂缝在数量与宽度上发展均非常充分 ,最大宽度达到了 1 mm 左右 ,裂缝间距一般在 30 c m 左右 ,但是底板裂缝基本没有发展 ; 2006 年 2 月对三条宽度 最大的裂缝进行了 3 个月的跟踪监测 ,结果表明裂缝宽度与长度均没有继续扩展见图 2 。根据项目组 2006 年 2 月进行的裂缝无损检测 , 桥梁裂缝形态在空间上具有如下规律 : 单条腹板裂 缝呈现中间宽 ,两端窄的规律 ,裂缝没有贯穿腹板厚920 1 结构发生变形的因素主要有 : 水化反应、日照 温差 2 、相对湿度差 3 - 4 以及混凝土自身收缩等四种 。 当这些因素导致的变形受到外界约束或有不协调变 形时 ,结构内部就会产生拉应力 ,当拉应力超过抗拉 强度后便会产生裂缝 。具体针对该桥 ,从开始浇筑到通车 ,可能导致结 构内部出现拉应力的变形主要有以下五种情况 : 在 钢筋约束作用下的混凝土整体收缩 ; 相对湿度不同 时中间与两侧的收缩差 ; 水化反应导致的中间与两侧收缩差 ;日照温度场下的内外收缩差 。21 1钢筋约束作用下的混凝土整体收缩 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. a a s h to 估算法对任意时刻混凝土的收缩值按下式进行求解 5 :t) 01 51 10 - 3shks kh (1)= -35 + t式中 : t 为风干的时间 ,d ; ks 为尺寸系数 ; kh 为湿度系数 。根据项目组长期实测数据 ,南京地区相对湿度 在 50 %左右 ,实桥的体积与表面积比为 78 mm ,于是计算得到的稳定收缩值等于 526 个微应变 。同时 ,项目组对该桥的实际混凝土进行了自然 环境下的跟踪监测 ,得到如图 4 所示的数据 ,最终稳 定收缩值大约为 500 个微应变 。可见实测值与理论估算值基本一致 ,因此在分析计算中 ,通过式 ( 1) 来 计算得到任意时刻的收缩值 ,相对湿度系数和体积 表面积比值取试验值 。a - 室外自然环境 ; b - 室内自然环境下图 5 不同环境下的收缩差失 ,结构温度与环境温度趋于一致 6 - 7 。因此本文在分析计算中 ,腹板内外水化温差取为 6 。21 4 腹板内外的日照温度差不论是规范 8 还是实桥监测数据 9 都表明在太 阳辐射作用下 ,混凝土箱梁沿截面高度的温度分布 是非线性的 。虽然腹板横向温度差一般不大 ,在正 常情况下对于 50 cm 的腹板外侧与内侧温度差也只 有 34 10 。但如在恶劣天气条件下 ,这种内外温度差将会更大 。如某涵洞底板厚度 2 m ,通过对板 的中间 、表层以及环境温度进行的连续跟踪监测发 现 :在日温度变化明显的情况下 ,混凝土中间与外层 温差明显随环境温度波动 ,在环境温度为零下 5 的情况下 ,最大温差可以达到 15 11 。考虑该桥正式通车时在 10 月左右 ,因此在分析计算时 ,对正常 情况下的日照温差进行适当放大 ,取为 6 。21 5荷载组合 根据该桥的施工方案和实测裂缝的发展特性 ,可以将问题从时间上分解成几个特定的阶段 : 第一阶段为从下层浇筑到上层浇筑开始的阶段 ,结构为 u 型连续梁和从上层浇筑开始到模板拆除 ,结构为 箱型连续梁 ;第二阶段为从模板拆除到交工验收 ,结 构为箱型连续梁 ;第三阶段为从交工验收到通车 ,结构为箱型连续梁 ;第四阶段为从通车运营到 06 年 5月 ,结构处于使用状态 。第一 阶 段 的 荷 载 组 合 。根 据 相 关 桥 梁 的 观 测 6 ,在浇筑后 20 h 左 右 水 化 反 应 的 温 差 达 到 最大 ,100 h 后混凝土内部温度与外界温度接近而稳 定 ,水化温差也趋于零 ;同时环境温度季节性变化较 小 ,可以不予以考虑 ; 当 混 凝土 处于 模板 保 护状 态921图 4 该桥混凝土收缩实测数据21 2腹板内外的相对湿度差桥梁在拆模后 ,由于混凝土表面与内部的相对 湿度不同 ,板的临空面水分散发快 、混凝土收缩发展快 ,而在混凝土内部 水分 散 发慢 、混 凝土 收缩 发 展慢 ,从而导致混凝土出现拉应力 。内部后期湿度一 般能稳定在一定范围内 ,而外部湿度变化明显 ,内外存在明显的湿度差 3 ,从而导致混凝土内外收缩出现明显差异 。 本项目组将相同试件处于不同环境下的实测收缩数据也表明 ,相对湿度的不同对混凝土收缩具有 非常大的影响 。两种不同环境下的收缩差甚至可以达到 100 %以上见图 5 。对于宽度 10 cm 的截面 ,内部与外部的湿度差 一般可以达到 5 % 3 ,由于本桥腹板厚度为 50 cm ,并综合考虑该桥的其他各环境因素 ,在分析计算中 ,腹板中间与两侧湿度差取为 10 % 。21 3腹板内外的水化温度差混凝土浇筑后 ,经历了升温与降温两个过程 ,根 据桥梁的实测表明 3 - 6 ,在腹板厚度方向 ,会存在温度梯度 。对于 30 cm 的腹板而言最大温差在 5 左 右 6 ;而对 60 cm 的而言一般在 7 左右 6 - 7 。最大温差一般都发生在浇筑 20 h 后 , 4 5 d 后温差消 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 的收缩变形采用降温法 12 进行模拟 ,同时为了节约计算机时 ,计算取一跨的 1/ 4 进行 ,混凝土弹性模量ec = 31 5 1010 pa ,泊松比 = 01 2 ; 钢筋弹性模量ec = 21 0 1011 pa ,泊松比 = 01 3 。整个模型划分20200 个 sol id45 单元 ; 7 050 个 l in k8 单元 , 不 考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移 。根据前面各因素的分析 ,针对该桥实际情况 ,本 文计算中采用的具体参数如下表 :时 ,认为混凝土内外部没有收缩差 ;但是受到日照影响 ,结构内外温度差是存在的 ,因此应该予以考虑 。 于是在这个阶段最不利组合可以考虑 3 个 :1 d 时的水化温差应力 + 1 d 时混凝土整体收缩应力 + 环境 导致的温差应力 ; 7 d 时混凝土整体收缩应力 + 环 境导致的温差应力 ;从第 7 d 到第 17 d 的腹板与底 板混凝土收缩应力 + 日照内外温差应力 。第二阶段的作用组合 。100 d 的混凝土整体收 缩 + 100 d 的内外收缩差 + 日照内外温差 。第三个阶段的作用组合 。九个月的混凝土整体 收缩 + 九个月的内外收缩差 + 日照内外温差 。第四个阶段的作用组合 。该阶段考虑从施工到2006 年 2 月这段时间以及从施工到后来跟踪监测 的三个月时间内 ,因此荷载组合考虑两个 :一年的混凝土整体收缩 + 一年的内外收 缩差 + 日 照内 外 温 差 ;400 d 的混凝土整体收缩 + 400 d 的内外收缩 + 日照内外温差 。以上各种荷载组合在一定条件下可能超过混凝 土抗拉强度 ,从而导致混凝土发生开裂 。表 2计算采用的具体参数 整体收缩参数水化温差/日照温差/ 相对湿度差/r h/ %v/ s% 50 78 mm 6 6 10 31 2 计算结果分析通过计算 ,各工况的计算结果详见表 3 。从表 3 可以知道 ,在第一阶段 ,由于水化温差以 及环境温度差导致的腹板拉应 力已 经超 过 抗拉 强 度 ,可见水化反应是拆模时出现裂缝的本质原因 ;第 二阶段 ,随着水化温差的消失 ,从拆模到交工验收的这段时间内 ,腹板应力水平处于较低水平 ,因此这个 阶段腹板与翼板上的裂缝数量与宽度比较稳定 ,均 未充分发展 ;到了第三阶段 ,相对湿度差导致的腹板 应力成为出现拉应力的主要因素 ,且该应力随时间 逐步增加 ,因此从交工验收后到通车前裂缝出现持续增加与扩展的现象 ;到第四阶段后 ,随着混凝土收 缩趋于完成 ,内外收缩差趋于固定值 ,腹板混凝土侧 面拉应力也趋于稳定值 ( 1 年时间) ,所以混凝土腹 板裂缝在扩展到一定程度后基本稳定 。3 有限元计算31 1 有限元模型根据以上 的 分 析 , 采 用 通 用 有 限 元 程 序 a n2s ys 进行有限元计算 , 分别 考虑 以上 的 四种 因素 ,计算分四种工况进行 ,其中整体收缩和相对湿度差 两种工况又分为 1 ,7 ,17 ,100 , 270 , 360 和 400 d 七 种情况 。钢筋混凝土箱梁采用分离式模型 ,混凝土 采用 sol id45 单元 ,钢筋采用 l in k8 单元 ,混凝土表 3 各工况计算结果 第一阶段 第二阶段第三阶段第四阶段阶段时间 1 d 7 d 17 d 100 d 270 d 360 d 400 d 21 7101 25-21 9621 45水化温差导致应力/ m pa日照温差导致的应力/ m pa整体收缩导致的应力/ m pa 相对湿度差导致的应力/ m pa 应力叠加值/ m pa 混凝土设计强度/ m pa-01 2501 046-01 29621 45-01 2501 1801 6111 0421 45-01 2501 7511 3921 3921 45-01 2501 9311 6621 8421 45-01 2511 0311 7121 9921 45-01 2511 0411 7331 0221 45速发展 ,在运营很短时间内就趋于稳定 。3) 混凝土水化反应是腹板竖向裂缝在拆模时就 出现的本质原因 ,使用导热性能好的钢模比使用保温效果好的木模更有利于控制裂缝的产生 。4) 腹板内外收缩差以及混凝土整体收缩受钢 筋约束作用是腹板竖向裂缝持续增加与扩展的根本 原因 ,当混凝土的收缩趋于稳定后 ,腹板与翼板上的(下转第 918 页)4结论综上计算分析 ,对于普通钢筋混凝土桥梁纵向 均匀分布的腹板竖向裂缝 ,可以得到以下几点结论 :1) 普通钢筋混凝土箱梁桥裂缝病害主要以腹板 竖向裂缝和翼板横向裂缝为主 ,在纵桥方向上基本2) 普通钢筋混凝土箱梁桥的腹板竖均匀分布 。向裂缝与翼板横向裂缝一般在 桥梁 通车 运营 前 出现 ,在桥面铺装到通车运营期间裂缝数量与宽度快922 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 表 4 土壤 p h 值测定结果分区编号钻孔深度 ( m)p h 值测定结果13 #71 63 ( - 1 m)81 23 ( - 2 m)71 85 ( - 9 m)81 39 ( - 19 m)71 94 ( - 2 m)81 04 ( - 9 m)81 11 ( - 5 m)71 61 ( - 3 m)81 36 ( - 11 m)81 55 ( - 23 m)71 76 ( - 3 m)81 48 ( - 11 m)71 83 ( - 9 m)71 91 ( - 4 m)81 46 ( - 13 m)81 38 ( - 25 m)81 12 ( - 4 m)81 15 ( - 13 m)81 06 ( - 15 m)71 48 ( - 5 m)81 45 ( - 15 m)/81 08 ( - 5 m)81 39 ( - 15 m)81 34 ( - 21 m)71 87 ( - 7 m)81 31 ( - 17 m)/81 01 ( - 7 m)81 85 ( - 17 m)2514 #25化 成 车 间16 #25 81 7 ( - 19 m) 81 51 ( - 21 m) 81 71 ( - 23 m) 81 43 ( - 25 m) / 7 #11 #42 #71 87 ( - 1 m)71 55 ( - 1 m)81 65 ( - 1 m)71 76 ( - 3 m)71 9 ( - 5 m)71 93 ( - 5 m)81 01 ( - 5 m)71 07 ( - 10 m)71 97 ( - 9 m)化成周边车间内部202020/18 #20 #21 #26 #27 #28 #29 #34 #35 #37 #38 #39 #40 #41 #10151010102020151510105101071 91 ( - 1 m)71 91 ( - 1 m)81 09 ( - 1 m)71 81 ( - 1 m)71 91 ( - 1 m)71 96 ( - 1 m)71 89 ( - 1 m)81 1 ( - 1 m)71 89 ( - 1 m)71 92 ( - 1 m)71 8 ( - 1 m)71 8 ( - 1 m)71 86 ( - 2 m)81 11 ( - 1 m)81 09 ( - 5 m)81 06 ( - 3 m)71 36 ( - 5 m)71 86 ( - 5 m)61 86 ( - 6 m)81 14 ( - 3 m)71 85 ( - 3 m)81 16 ( - 3 m)71 76 ( - 3 m)71 85 ( - 3 m)71 76 ( - 3 m)71 93 ( - 3 m)71 87 ( - 5 m)71 94 ( - 5 m)71 96 ( - 10 m)71 94 ( - 5 m)71 34 ( - 9 m)71 88 ( - 9 m)71 18 ( - 9 m)81 1 ( - 5 m)71 91 ( - 5 m)81 03 ( - 5 m)71 92 ( - 5 m)71 83 ( - 5 m)81 02 ( - 5 m)81 01 ( - 5 m)81 21 ( - 9 m)71 98 ( - 11 m)/厂 区 内注 “: / ”表示钻取了土样 ,由于上层土样 so 4 根离子含量已接近未受污染的土壤 so4 根离子含量 ,因此下层土壤未进行分析 ;基础承台 - 3m 以上由于为松散回填材料 ,土样受到钻探水的污染 ,酸碱度测试有偏差 ,从现场探坑测试结果看 ,土壤呈酸性 。参考文献 1 刘晶波 ,周锡元 1 抗震工程学 m . 北京 :中国建筑工业出版社 , 2 gb/ t 50344 - 2004 建筑结构检测技术标准 s 1 1978 . 3 贾锋 ,张坦贤 ,朱伯龙 ,等 1 硫酸腐蚀后硷的碳化及表观简易检测法的试验研究 j . 四川建筑科学研究 , 1996 ( 4) : 48 - 511 4 莫斯克夫 b m , 伊万诺夫 m , 阿列克谢耶夫 c h1 混凝土和钢 筋混凝土的腐蚀及其防护方法 m . 倪继淼等译 1 北京 : 化学 工业出版社 , 1983 : 78 - 841对于此类有强化学腐蚀性液体的生产车间 ,应加强日常的维护工作 ,发现防腐层有漏点应及时修 补 ,否则当主要结构构件受到腐蚀时 ,维修及加固费 用都将大幅度提高 ,且易发生塌楼等恶性安全事