205008大跨度预应力混凝土连续刚构桥底板崩裂原因分析.doc

大跨度预应力混凝土连续刚构桥底板开裂原因分析李贞新 李小珍 李俊 郭丰哲（西南交通大学土木工程学院 四川 成都 610031）摘要： 大跨度预应力混凝土连续刚构桥底板出现开裂是该类桥梁出现的问题之一,其影响因素较多。以一座实桥为例,利用有限元方法进行分析,结合工程实践对开裂产生原因进行了分析。并根据大跨度预应力混凝土连续刚构桥的特点,提出了一些防治措施,供实际工程参考。关键词：预应力混凝土;连续刚构桥;底板;开裂;影响因素 Analysis of Cracks in bottom Slab of Extra-Long Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame BridgeLI Zhen-xin LI Xiao-zhen LI Jun Guo Feng-zhe(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China )Abstract： It is one of the defects that cracks occur in the bottom Slab of extra-long Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge. There are many influence factors. By way of example of a bridge, the causes of cracks are analyzed by means of finite element method and in the lights of construction conditions. And some measures to treat the existing cracks are made according to the features of extra-long prestressed concrete continuous rigid frame bridge, which are expected to serve as reference to the practical application.Keywords：Prestressed concrete；Continuous Rigid Frame；Bottom Slab；Cracks；influence factor40 引言大跨度预应力混凝土连续刚构桥具有结构刚度大、变形小、行车平顺舒适、伸缩缝少、抗震能力强等优点，因此无论是公路或城市桥梁、高架道路，还是跨越宽阔河流的大桥，均是首选的桥型方案之一。然而近年来，大跨径预应力混凝土连续刚构桥在施工过程或使用阶段，底板出现裂缝问题。超出设计许可的结构裂缝对连续刚构桥的耐久性和营运的安全性构成了威胁。为了探明箱梁结构裂缝产生的规律和形成机理,从设计、施工等方面综合考察和调查研究，本文结合裂缝观测、有限元分析与理论研究，从裂缝成因分析和防治措施上探讨了大跨径预应力混凝土连续刚构桥的底板裂缝控制问题。观测到的开裂桥梁为69m+125m+2160m+112m五跨变截面预应力混凝土双肢薄壁连续刚构桥。梁体为单箱双室截面，梁顶宽21.5m，底宽12.5m，支点箱高10.5m，跨中箱高3.0m。桥宽16.25m，设计3车道，设计荷载汽-超20，挂-120。在全桥合拢后张拉箱梁底板合拢段纵向预应力束的过程中，5#、2#、1#合拢段及附近底板共有5个部位先后不同程度向上或向下开裂（均为非对称跨）。1 结构计算2.1 主桥结构整体分析计算程序采用西南交通大学土木工程学院开发的桥梁结构分析系统BSAS，对结构离散，结构计算简图如图1所示。主桥共256单元249个节点，划分53个施工阶段。根据结构施工流程，从结构受力特点考虑，计算中结构共分53个施工阶段。由于混凝土的开裂出现在合龙段完成后，所以表1给出了从3合龙段开始（第45施工阶段）至1合龙段结束（第51施工阶段）七个施工阶段合拢段结构应力。表1 4551施工阶段各合龙段上下缘应力(MPa)施工阶段应力1#2#3#4#5#45上缘4.5下缘4.246上缘3.26下缘5.7347上缘3.323.98下缘5.384.1348上缘3.483.36下缘5.575.8549上缘3.695.444.83下缘1.9810.38.6450上缘1.062.645.194.551.19下缘1.132.049.047.611.2151上缘5.456.375.855.746.09下缘7.158.8914.414.711.1平面计算表明，各合龙段在恒载（自重预应力）、施工临时荷载作用下全截面受压，上下缘应力满足规范要求，最大压应力14.7MPa出现在4合龙段下缘。2 合拢段局部应力分析根据混凝土崩裂的位置不同，利用大型通用有限元软件ANSYS分别建立了三个计算模型。限于篇幅，在此只介绍5号合拢段。5号合龙段处计算模型全长为29m（J109J117截面），其中合龙段左侧为12m，右侧为15m。考虑到结构以及外荷载的对称性，计算模型为整个箱梁的一半。2.1 计算模型混凝土材料采用块体单元来模拟，选择单元类型有SOLID45和SOLID95，预应力钢筋（包括纵向、横向以及竖向预应力钢筋）采用BEAM4单元来模拟，通过对BEAM4单元施加初应变来模拟预应力筋的张拉力。计算荷载包括结构自重、二期恒载、汽车活载、混凝土收缩徐变、温度效应，分析最不利荷载组合下结构的应力分布。图1 主桥结构分析离散图2.2 计算结果及分析125m跨合龙段模型J27J29段底板在最不利荷载作用下的应力分布分别如图2图7所示，图2图4为合龙段左侧6m范围的底板应力分布，图5图7为合龙段两边各加1.2m范围内的应力。以下应力图中压应力为负,拉应力为正，应力值单位均为Pa（N/m2）。图2 J27-J28底板横向应力图(Pa)图3 J27-J28底板竖向应力图(Pa)图4 J27-J28底板纵向应力图(Pa)图5 J28-J29底板横向应力图(Pa)图6 J28-J29底板竖向应力图(Pa)图7 J28-J29底板纵向应力图(Pa)由上述应力图可以看出，全桥合龙时(阶段51)，在125m跨合龙段的J27-J28节段(齿块D25所在段)底板上、下缘x向（横桥向）出现了拉应力，最大拉应力达到3.016MPa(在底板上缘)，底板下缘最大拉应力也达到2.547MPa；底板上、下缘y向（竖桥向）以压应力为主，部分位置出现了拉应力，最大值为0.347MPa；底板上、下缘z向（纵桥向）均为压应力，最大压应力达到15.331MPa；在125m跨合龙段的J28-J29节段(合龙位置)底板上、下缘x向（横桥向）出现了拉应力，上、下缘最大拉应力分别达到3.916MPa和1.320PMa；底板上、下缘y向（竖桥向）大部分位置出现了拉应力，上、下缘最大拉应力分别达到了1.558MPa和1.346MPa；底板上、下缘z向（纵桥向）均为压应力，最大压应力达到15.701MPa。3 底板开裂原因分析虽然原设计的各项应力指标均在规范允许的范围内,但在全桥合拢后张拉箱梁底板合拢段纵向预应力束的过程中，5#、2#、1#合拢段及附近底板共有5个部位先后不同程度向上或向下开裂（均为非对称跨），应该说裂缝形成的原因是多种因素共同作用的结果,其影响因素可能有如下几个方面：（1） 从常规的抗弯、抗剪等理论验算结果来说，原设计的抗弯、抗剪强度是基本满足规范要求的。在公路桥梁中,活载等会使结构产生扭转,但是活载的影响较小，随着桥梁跨径的增加，恒载因素显著上升，活载应力特别是活载偏心所产生的约束扭转应力是较小的。如果箱梁腹板厚度较大，箱内的横隔板又有足够的刚度，且又布置了足够的构造钢筋，在此前提下可不检算由于约束扭转引起的箱梁截面畸变应力、扭转翘曲应力和扭转剪应力。所以,箱形截面约束扭转、畸变和剪力滞的影响不是裂缝产生的主要因素。（2） 预应力管道偏离设计位置致使底板混凝土出现较大局部应力，从而导致合龙段底板混凝土开裂。（3） 合龙段构造钢筋仅在纵向筋之间设勾筋,横向架立筋之间未设置勾筋，同时井字形定位钢筋间距偏大仅用8钢筋，且只与构造筋点焊相连，极不可靠。这些因素均可能导致预应力筋在施工过程中偏离设计位置。预应力筋在张拉过程中产生较大的竖向力，可能是向上或向下的集中力或分布力，竖向力导致局部应力过大，从而使底板混凝土崩裂。（4） 齿块锚下钢筋太稀，配置过少。（5） 主跨和边跨跨中未设横隔板。（6） 底板厚度偏小。（7） 底板纵向预应力的泊松效应。（8） 底板预应力筋未布置在腹板和梗腋处，导致预应力管道过密，管道间距偏小也是一个不利因素。（9） 施工过程中温度变化过大，可能引起较大的温度局部应力。（10） 管道压浆密实与否也有一定的影响。（11） 混凝土的水泥、粗细骨料、添加剂、水等材料的性质是否稳定合格。（12） 现行有关设计规范的基本参数并不完全适用目前预应力混凝土连续刚构桥的基本特点，如对于长度在100米以上、线型复杂箱梁纵向预应力筋的摩擦损失计算按现行设计规范的计算方法是不合适的（现行规范的计算方法是基于预应力钢绞线较短、线型简单的简支预应力混凝土梁的研究提出）；现行箱梁的温度计算模式是采用T梁的温度计算模式，显然不能正确计算箱梁的温度应力；对于加载龄期短的高强混凝土箱梁采用现行设计规范的徐变特性参数（基于强度较低的普通性能混凝土的研究成果）计算预应力损失是不合适的。4 结语（1） 底板开裂为局部计算问题,有限元法对全桥的整体验算容易忽略它,设计中应逐段验算。（2） 预应力管道偏离设计位置致使底板混凝土出现较大局部应力是导致本文实桥中合龙段底板混凝土崩裂的主要原因；（3） 现行有关设计规范的基本参数并不完全适用目前预应力混凝土连续刚构桥的基本特点，可能导致目前按规范设计的预应力混凝土连续刚构桥的开裂。预应力混凝土连续刚构桥现行设计方法并不能完全保证结构的安全性。展开对这些问题的研究对完善预应力混凝土连续刚构桥的设计理论和防止其开裂具有重要意义。参考