预应力混凝土箱梁桥斜裂缝成因分析及加固设计

预应力混凝土箱梁桥斜裂缝成因分析及加固设计

0预应力混凝土箱形梁桥裂缝产生原因分析预制混凝土箱形连续梁桥因结构光滑、抗弯、抗扭转性能好等优点，在桥梁建设中得到了广泛应用。但是薄壁箱形结构的空间受力情况非常复杂,而现有的设计理论仍采用平面分析方法。用这种分析方法无法计及桥梁横向的受力状况,因而不能充分考虑剪力滞的影响。同时,用平面方法设计对预应力钢筋的处理与实际情况偏差也比较大。箱梁板壁越薄、跨度越大,平面设计理论的简化引起的误差也越大。事实上近几年随着预应力混凝土箱形梁桥的大量应用,发现大部分预应力混凝土箱形梁桥出现了裂缝。因此对预应力混凝土箱形连续梁桥采用空间理论设计,找出预应力箱形梁桥受力最不利位置极有必要。关于预应力混凝土箱形梁桥出现裂缝的问题也做了许多研究,发表了许多文章。这些研究对于桥梁产生裂缝的原因已经分析得很全面,但基本局限在裂缝产生原因的感性分析上,缺少对于桥梁的空间受力情况的数据分析,对桥梁的受力缺乏全面详细的了解。笔者利用虚拟层合单元方法对一座出现裂缝的桥梁进行了全面的空间分析。找出了预应力箱形梁桥出现裂缝的基本原因,还对预应力桥梁现有的加固方案进行分析,在加固方案的有效性方面做了一些探索。1加固前桥梁的评价笔者研究某城市高架的主干立交桥。该桥由一座主桥和东、西两座匝道桥组成。这三座桥均为三跨变截面连续箱形梁桥。三座桥的跨长相等,均按30+50+30m分布跨长。主桥横截面为一箱五室,匝道桥为单箱单室。设计荷载等级为汽-20、挂一100。三座桥的中支座处截面高度都为2.8m,边支座处和中跨跨中都为1.5m。该桥在即将投入运营时,发现三座桥都在中跨四分点附近的两侧腹板和底板上出现裂缝,且裂缝以跨中为轴对称出现,腹板裂缝呈现“八”字形,倾斜角度约45°。腹板主裂缝附近还有数条平行主裂缝的微小裂缝。腹板的裂缝宽度大于底板裂缝宽度。裂缝所在的位置及加固前桥梁的预应力钢筋的布置见图1,在这种情况下对桥梁进行了加固。为检测桥梁在加固后的承载能力,对西匝道桥做了静载和振动试验,对主桥做了静载试验。现以西匝道桥为代表,对桥梁进行裂缝成因分析及加固评价。2裂缝原因分析2.1虚拟层合单元法对包含主梁及桥墩的整桥建立有限元模型。坐标系按右手系建立,以纵桥向为x轴方向,横桥向为y轴方向,桥面为xy平面,坐标原点在端部截面的角点上(图2)。有限元分析采用虚拟层合单元法。箱梁采用虚拟层合板壳单元,桥墩用虚拟层合三维梁单元,共167个单元,1584个节点。因为虚拟层合单元可以对带空心的截面进行“夹空”或“补空”处理,所以加固前、后的桥梁可用相同的单元。支座处主梁结点与对应的桥墩结点连接;并约束桥墩底面结点三个方向的位移为零。模型中不考虑普通钢筋作用,将预应力简化为集中力或均布力加到模型上,不考虑裂缝的影响。新老混凝土仍视为一个整体,后利用浙江大学交通工程研究所开发的USAP有限元计算程序得出计算结果。2.2固有频率的计算测试是在桥梁加固完之后进行的,计算也用桥梁加固后的有限元模型。(1)应力比较:西匝道桥中跨跨中加载时各测试截面的正、剪应力分别见表1、2。(2)西匝道桥固有频率计算与实测值比较见表3。由以上比较可见计算值与实测值基本吻合,证明所采用的计算模型和计算理论都是比较有效的。因此,用该模型和计算方法来对加固前的桥梁进行空间分析,以找出产生裂缝的原因。2.3x的应力分析对加固前的西匝道桥进行空间分析。根据裂缝出现时桥梁的实际受载情况,考虑四组载荷:预应力筋N1～N5产生的预应力、N8～N10和N6、N7产生的预应力、桥梁自重和铺装层重。因N1～N5是在跨中合拢之前张拉的,所以N1～N5在跨中段不产生应力。底板与腹板交线称节线,节线位置见图3。沿节线的σx分布见图4。由图4可以看到:全桥除支座处以外,σx在-8.0～2.75MPa之间变化,σx的最大拉应力值2.75MPa出现在中跨四分点附近,已超过了C50混凝土的抗拉强度设计值。经计算此处的主应力方向与裂缝开裂方向一致,大小为2.92MPa,这说明中跨四分点处的主拉应力过大是结构开裂的根本原因。从设计来看,斜裂缝的产生由以下三个方面的原因造成:①裂缝区域1号块的弯矩虽小,但剪力较大,而此处未配竖向预应力筋抗剪,造成了抗剪强度不足;②箱形结构由于剪力滞效应,实际拉应力大于按平面杆系设计计算值;③N10预应力筋锚固后的拉应力也是引起斜裂缝的原因之一。3预应力钢绞线底板加固该桥在箱内加固,加固方式见图5～7。加固分为两部分:一部分是中跨底板加固,另一部分是裂缝处腹板加固。首先在箱内浇混凝土加厚箱梁底板,在加厚的底板混凝土中布置底板预应力筋束。然后在加厚的箱梁腹板上加预应力粗钢筋,对裂缝进行局部加强。为增加新浇混凝土与原混凝土之间的粘结力,在新浇混凝土与原混凝土结合面上种植钢筋,并涂了一层混凝土粘接剂。底板加固共用了14束预应力钢绞线(M1);腹板加固用了12根预应力钢筋(M2、M3)。对加固后的桥梁进行有限元分析,考虑的荷载作用有四项,包括加固前桥梁的恒载及预应力作用、加固后增加的混凝土的自重荷载、加固预应力筋的等效外荷载以及试验荷载。其中试验荷载分两种情况:第一种是按跨中最不利的情况来布置加载方案,称为ZAI-1;第二种是按L/4最不利情况的布载,称为ZAI-2。ZAI-1、ZAI-2分别见图8的上、下部分。对加固后的桥梁考虑了两个工况:工况1受ZAI-1作用、加固后桥梁的恒载及预应力等效作用;工况2受ZAI-2作用、加固后桥梁的恒载及预应力等效作用。从图9、10来看,在按跨中、四分点最不利情况加载时,除支座处外,桥梁的最大拉应力不超过2.60MPa,这证明加固后桥梁已经基本能满足安全工作的要求。但从计算结果可见裂缝处经加固虽然拉应力减小很多,但未储存压应力,裂缝没有闭合。当有较大的荷载作用时,裂缝处仍为整座桥梁的薄弱环节,一定情况下,原有的裂缝会继续开裂。因此,加固的效果并不十分理想。出现这种情况的原因主要是底板加固给桥梁增加了大量的自重,这抵消了桥梁加固的实效。4设计结果分析从计算分析可见裂缝的产生并不是由偶然因素造成的,设计计算方法的不完善是引起裂缝的主要原因之一。现有的设计方法主要在以下几个方面有不足之处:一是用平面杆系计算代替空间分析计算,这种做法在薄壁结构中引起了较大误差;二是在结构计算中,抗剪计算不够充分,导致抗剪钢筋配置不足;三是预应力引起的剪力效应没有得到充分