PC连续刚构桥底板防崩钢筋布置分析 1020

1、PC连续刚构底板防崩钢筋布置分析蒋建武（湖南省永龙高速公路建设有限公司，湖南 长沙 410016）摘 要：根据PC连续刚构桥底板崩裂的机理和破坏的3种情况，以底板钢束产生的径向外崩力为混凝土破坏的主因，就底板最容易发生破坏的合拢段附近梁段的预应力钢束箍筋布置进行计算分析，得出底板钢束箍筋布置的间距公式，并提出一系列连续刚构在施工过程中底板防崩钢筋布置的要点和建议。关键词： 连续刚构桥 底板崩裂 径向外崩力 箍筋布置中图分类号： 文献标识码：The Analysis Of Reinforced Anti-collapse Layout In The Bottom Slab Of PC Conti

2、nuous Rigid Frame Bridge Abstract：According to the mechanism and the 3 kinds of situations about bursting crack of bottom slab in PC continuous rigid frame bridge, because radial force is the main reason to bursting crack of bottom slab, this paper calculates stirrup arrangement of bottom slab near

3、the close section which is most likely damaged, getting some distance formulas, and makes a number of stirrup arrangement proposals on the prevention from bursting crack on the bottom slab in the constructionKey words：continuous rigid frame bridge bursting crack of bottom slab radial force stirrup a

4、rrangement0 引 言随着国家基础设施建设的快速发展，预应力混凝土连续箱梁桥以其结构刚度大、行车平顺性好、伸缩缝少和养护简单等特点，已成为公路建设中最主要的桥型之一。但随着预应力混凝土连续梁式桥（包括连续梁、连续刚构、刚构-连续组合体系），特别是大跨度连续梁式桥的大量修建，已暴露了一些问题。其中混凝土结构底板开裂问题较为突出，引起桥梁界广大设计者的重视。连续刚构桥底板崩裂大多发生在张拉中跨底板合龙束的过程中，具体表现为底板束下方混凝土大面积破损脱落，底板钢束及底板钢筋发生向下的变位，波纹管撕裂等破坏迹象，具体见图1和图2所示。连续刚构施工过程中底板崩裂的病害已经很大程度上影响了桥梁结构

5、的安全性能，有关学者和专家对其进行了分析研究，并得出一些结论。图1 箱梁底板裂缝情况图2 箱梁底板崩裂后切开情况裂缝情况国内许多专家都认为：由于箱梁截面高度的变化，底板预应力钢束产生的径向附加力是连续刚构桥梁底板崩裂的主要原因，为有效预应力，R为预应力钢束的曲率半径1。底板纵向预应力筋在竖直面内布置为抛物线形的曲线，纵向预应力筋张拉后产生了向弧心的径向力2。而一些连续刚构桥由于底板的波纹管间距过密，造成径向力过于集中；底板或者底板保护层厚度过薄，造成混凝土结构抗拉强度的降低；大部分径向力主要是由箍筋承受，而箍筋间距过大，应力超限，底板上下层钢筋网被撕开，导致底板混凝土向下崩出3-5。连续刚构在

6、锚定底板钢束时，一般将箱梁底板上的预应力钢筋弯起到腹板上锚固，预应力束必然是既平弯又竖弯，预应力方向的转向必将在底板上产生拉力，底板也很有可能产生纵向裂缝1。本文通过对连续刚构底板容易破坏的节段(即中跨合拢段附近的底板)防崩钢筋的布置进行计算分析，提出连续刚构底板箍筋的安装建议。1 连续刚构底板崩裂情况分析国内众多关于预应力混凝土连续刚构桥底板崩裂事故调查分析的研究成果表明，底板出现崩裂现象的主要原因还是在于预应力张拉时产生的垂直于钢束的外崩力，同时由于预应力管道挖空造成截面突变、波纹管下方混凝土浇注质量不佳、上下层钢筋之间的连接钢筋设置较弱甚或未设置等等各种综合原因，引起了混凝土出现崩裂。概

7、括起来，这种崩裂的典型破坏形式主要有3种:1底板横向挠曲产生的纵向开裂从横向而言，底板可以视为两端由腹板弹性嵌固支撑的单向薄板，且薄板中部承受了预应力纵向张拉引起垂直于板平面的径向力，引起底板横向中部受正弯矩而靠近腹板处承受负弯矩作用，中部下缘和腹板附近上缘承受横桥向的拉应力，即底板横向挠曲应力，在横向普通钢筋配置不足且拉应力超出混凝土抗裂能力时，该挠曲应力会引起顺桥向的裂缝。箱梁宽度愈大、底板钢束离腹板距离愈远，这种效应愈显著。如图3所示。图3 底板横向挠曲纵向应力效应2底板上、下层之间分离拉裂由于钢束管道对截面的削弱过大且构造处理不当，在预应力产生的径向力作用下，底板混凝土沿管道拉裂，表现

8、为混凝土大面积起鼓或大块脱离，波纹管随之拉开，如图4所示。图4 底板沿管道上下层拉裂3钢束局部崩出(剪出)在预应力钢束的曲线段或折点处，由于局部径向力的作用，当外崩方向混凝土保护层厚度较小、防崩钢筋配置不佳、混凝土质量存在缺陷时，易出现局部的钢束崩出引起混凝土局部破坏，如图5所示。图5 钢束局部崩出从以上分析可以看出，梁底的预应力径向外崩力的确是产生破坏的主因2 连续刚构底板防崩钢筋布置要点连续刚构在成桥运营之前，当钢束曲率作用的径向力与箱梁荷载应力相叠加时，相应的弯曲应力可能比单独的恒载产生的应力大34倍，同时可能还存在钢束线形的偏位而使受力更加不利，严重时集中力可导致底板混凝土局部剥落或崩

9、裂，所以预应力束径向力必须由底板的箍筋来承受。如果底板内箍筋应力不超限。则底板上下层钢筋网不会被撕开；反之，底板就会被撕开。出现预应力筋上层钢筋网及混凝土完好而下层向下崩出的现象。在贵州某公路一座大桥主跨合龙时就发生过底板混凝土崩脱，因此必须进行径向防崩箍筋的设计。全桥合龙后，在汽车、温度及混凝土的收缩、徐变作用下，中跨的跨中处将产生较大的正弯曲和跨中下挠，进一步加大了底板预应力筋的下崩作用。因此，设计中对底板箍筋和跨中底板的局部刚度应留有足够的安全储备。图6 底板预应力筋箍筋布置示意图根据预应力筋张拉力产生的径向力和防崩箍筋的平衡关系，我们可以得出下 (1)式中，安全储备系数，建议取1.15

10、 预应力筋张拉时产生的径向下崩力 箍筋抗拉强度值 沿预应力筋每米箍筋面积而又因为 (2) (3)预应力筋的张拉力，其中为预应力钢束的张拉控制应力，一般为，为钢束的公称抗拉强度，为预应力钢束的面积。对于预应力筋沿梁底的布置其实是折线段，但是在中跨合拢段附近却是水平直线段。故在中跨合拢段没有曲率半径产生的，仅有直线管道定位误差和合拢段两端高差产生的和，于是在中跨合拢段附近有: (4)在其他箱梁折线段附近，径向力会在折角集中，按分布长度1m计算有： (5)则 (6)式中: 据几座桥梁的破坏情况而言，在同一折线段中，直线管道定位误差和两端高差造成的与一般为曲线径向力的3-4倍，为保险起见，现取4倍。相

11、邻两折线段的平均距离，一般为4.5m而因为 (7) 单肢箍筋的面积 n每延米箍筋的数量 (8) 则箱梁合拢段附近的箍筋间距: (9)其他箱梁折线段的箍筋间距： (10) 单位：为cm， 单位为KN， 为Mpa， 为在参考某大跨径连续刚构桥施工情况下，预应力钢束采用常用高强度钢绞线，标准型1×7，公称抗拉强度，底板箍筋考虑12，14，16三种常用形式。箱梁中跨合拢段的水平直线段与附近折线段接缝处的曲率半径在150m-250m范围内，而其它折线段曲率半径在300m-700m的范围内，其底板防崩箍筋计算布置如表1所示。表1 底板箍筋布置情况箱梁合拢段直线段箍筋布置安全储备系数预应力张拉力(

12、KN)箍筋种类箍筋抗拉强度(Mpa)单肢箍筋面积()曲率半径R(m)箍筋间距(cm)1.155162.412280113.115091.155162.412280113.1200121.155162.412280113.1250151.155162.414280153.9150121.155162.414280153.9200161.155162.414280153.9250201.155162.416280201.1150161.155162.416280201.1200211.155162.416280201.125026 箱梁其他折线段箍筋布置1.155162.412280113.130

13、0141.155162.412280113.1400191.155162.412280113.1500241.155162.412280113.1600281.155162.412280113.1700331.155162.414280153.9300191.155162.414280153.9400261.155162.414280153.9500321.155162.414280153.9600391.155162.414280153.9700451.155162.416280201.1300251.155162.416280201.1400341.155162.416280201.150

14、0421.155162.416280201.1600511.155162.416280201.170059注：当箱梁合拢段直线段的曲率半径在150m-200m范围内时的情况，底板配置12箍筋，其箍筋间距应该控制在9cm-12cm之间，其他参考情况雷同，不做赘述。以上公式的推导和底板箍筋布置情况表仅为连续刚构中跨合拢段附近梁段底板的箍筋配置提供一定的参考，对于大部分连续刚构底板防崩箍筋的直径和间距要符合公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，建议合拢段底板箍筋间距采用20 cm，其余段采用2530 cm，且因为底板力筋产生的径向力在力筋顶部最大，纵向箍筋的间距应从合龙段向其他段逐渐增大。箍筋建

15、议采用两端带弯钩的单肢14和16钢筋，弯钩直线段长应不小于10cm，可以采用套箍布置。箍筋的高度应满足：将底板上、下层纵横钢筋的交汇点卡在箍筋的弯钩内。箍筋在底板上按梅花形布置，其纵、横向间距不宜大于30 cm。箍筋两端弯钩与纵横钢筋交汇点，应有部分交汇点点焊，剩余部分绑扎。合理布置底板处的箍筋位置可以有效地减小预应力筋张拉时产生的径向下崩力，并延缓底板混凝土纵向裂缝的产生，同时还需增设短的弯钩钢筋，增强箱梁底板上下层钢筋的整体性，从而起到防崩的作用。箱梁骨架钢筋设计时，应考虑箱体的顶板、底板的共同参与抗弯、抗压、抗扭、抗剪的作用，骨架钢筋不宜多而杂。通常情况，骨架每肋有34排为宜，主筋的重叠

16、最好不超过3排。底层钢筋在布置足够横向钢筋以抵抗的同时，应该注意加强与竖向钢筋的联系，减小主拉应力，推荐使用封闭箍筋嵌套对施加预应力有良好约束。3 结论和建议通过上述对连续刚构底板钢束防崩钢筋布置的推导和分析，我们可以得出以下结论和建议：(1)为了让底板箍筋更好地承受预应力钢束沿梁底曲线布置产生的径向外崩力，必须合理设置底板箍筋的间距和直径，使箍筋产生的拉应力平衡大部分径向压应力，同时还需增设短的弯钩钢筋，增强箱梁底板上下层钢筋的整体性，从而起到防崩的作用。(2)应将防崩裂钢筋的弯钩平面顺桥向布置,使其将底板的横向钢筋箍住,而不仅仅是箍纵向钢筋。平衡钢筋的弯钩不宜用标准弯钩,要适当加长。防崩裂

17、钢筋若用槽形,施工安装时不注意容易漏钩横向钢筋,可采用矩形闭合箍筋。系筋(钩子筋) 是联系上下层钢筋网的重要钢筋,设计与施工中切勿忽略。 (3)底板束应尽量避免在拉应力较大区域锚固。同一断面上锚固总吨位不宜太大,还应有较强的纵向普通钢筋通过锚固断面,以避免齿板处底板开裂而降低其抗拉承载力。作者简介：蒋建武（1964-），男，工程师，主要从事高速公路施工、建设与管理参考文献:1 王仁贵，吴伟胜，庞颂贤.预应力混凝土连续刚构桥设计A.中国公路学会桥梁和结构工程学会2003年全国桥梁学术会议论文集C.北京：人民交通出版社，2003:98-1002 包立新，杨广来，杨文军. 对连续刚构桥底板开裂问题的探讨.公路，2004(8):65-683 严允中. 连续刚构桥箱梁底板崩裂原因及预防措施.公路交通技术.2006年（6）:55-564 徐品.预应力混凝土连续刚构桥底板崩裂问题研究.现代交通技术.2009年（6）:49-515 程灏. 大跨度预应力混凝土连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析. 贵州工业大学学报（自然科学版）.2008(5) :67-696 周文