预应力连续曲线箱梁端横梁裂缝成因分析

预应力连续曲线箱梁端横梁裂缝成因分析

1曲梁内横断裂图1显示了广东省佛山市谢边枢纽的联合交叉口工程。全长5.37公里，有13条车道桥，桥长2.79公里。匝道桥桥面宽度有9.5、8.0m和8.0～23.1m等形式,设计活载为汽车-超20级,挂车-120。上部结构基本采用二～四跨一联的现浇预应力混凝土连续曲线箱梁,连续跨径为30～40m,梁高均为1.5m,混凝土为C45,最小曲率半径为60m,最大单跨曲线夹角约为31.6°。其中位于I匝道的I4～I7三跨一联的连续桥,跨径组合为31+38.67+31m,曲率半径为70m。下部结构采用独柱和双柱帽梁结构,墩柱直径为1.2～1.8m,混凝土为C35或C40;基础为钻孔灌注桩,混凝土为C25。连续桥梁的中墩大多采用独柱、偏心、墩梁固结的结构形式。曲线桥梁由于曲率的存在,弯矩和扭矩相互耦合,特别是曲率半径越小,扭矩作用就越显著。当连续曲线桥的中墩采用独柱墩,则在两端横梁下需设置一对支座来抵抗扭矩。本工程采用加长端横梁,通过加大支座之间的间距来增大抵抗扭矩和减小支座负反力。然而,本工程中采用这种加长端横梁,施工过程中发现在预应力张拉后、尚未拆除底板支架前,与腹板交界处的两端横梁上均产生裂缝(图2),而其他部位没有发现裂缝。该端横梁的裂缝分布特点为:在曲梁内外弧腹板之外的端横梁均出现了裂缝,且裂缝的分布范围、走向、宽度较类似,即有1～3条斜裂缝由距腹板约15cm的梁底面范围内向顶面斜向延伸到距腹板约3cm,长度约达2/3梁高,端横梁与腹板相交处底板有1条裂缝。裂缝宽度为0.2～0.3mm,其中外弧腹板裂缝宽度大于内弧腹板处。2预应力钢束张拉槽口裂缝产生原因什么原因使加长端横梁产生裂缝?尽管混凝土结构出现的裂缝往往是多因素综合作用的结果,但它总存在一个主要原因。为此采用了美国ANSYS公司开发的ANSYS有限元分析软件来进行空间分析计算。在建立空间有限元模型中,力求尽可能与实际桥梁结构一致。箱梁截面是由顶板、腹板和底板组成,这些板的厚度比其他两个方向尺寸小很多,故选择板壳单元shell63来模拟;墩顶横梁、端横梁和墩柱均为实心断面,因此选择块体单元solid45模拟;图3显示了计算模型梁端部的有限单元网格划分,图中浅色单元为板壳单元,深色为块体单元。从图中可见,计算模型中考虑了在端横梁上预留宽度为57cm的预应力束张拉槽口。在分析计算中,纵向预应力作用采用等效荷载模拟。根据设计图纸,预应力标准强度Rybby=1860MPa,控制张拉力为标准强度的70%,即:σk=0.7×Rbyyb=1302MPa,每束张拉力Nk=1432.2kN。等效荷载考虑了预应力筋与管道壁之间的摩擦损失σs1、锚具变形损失σs2、混凝土弹性压缩损失σs4、预应力筋应力松弛损失σs5、混凝土收缩徐变损失σs6。预应力钢束的竖向等效荷载示意图如图4。此外,预应力钢束在平面沿梁曲线布置,预应力钢束在平面还将产生沿径向的等效均布荷载,均布荷载q=(N¯¯¯1+N¯¯¯2+N¯¯¯3)/Rq=(Ν¯1+Ν¯2+Ν¯3)/R。其中N¯¯¯i(i=1‚2‚3)Ν¯i(i=1‚2‚3)为第i束预应力在各转点的等效力N之平均值,R为曲率半径。空间分析计算考虑两种边界情况:①端横梁支座无水平约束,梁端能沿切线方向自由变位;②端横梁支座有水平约束,梁端不能沿切线方向自由变位。分析计算结果表明:曲线匝道桥在预应力筋张拉力作用下,边界情况①端横梁的两翼应力不大,而边界情况②在端横梁的两翼产生有较大的应力(如图5所示)。图5反映出在端横梁与箱梁交接区域存在明显的拉应力区,拉应力达到了10MPa左右。由此可见,端横梁的裂缝产生最可能的主要原因是预应力张拉时曲线匝道桥的端横梁自由变位受到一定阻碍,而使端横梁的两翼产生了较大的应力所致。众所周知,连续梁桥设计时,两端支座一般是容许端横梁水平自由变位,那么又是什么原因产生的呢?本工程为现浇连续曲线梁桥,采用满堂支架施工,在预应力张拉时因底模支架未撤除,则现浇梁与底模支架紧密接触形成了摩阻力,阻碍了一部分水平自由变形,再加上张拉槽口太大,削弱了端横梁截面的侧向抗弯能力,故使端横梁两翼出现较大的拉应力。3i匝道预应力梁桥空间分析计算是理想状态,实际工程中端横梁下的支座是允许发生水平自由变位的,那么现浇梁与底模支架紧密接触形成的摩阻力到底有多大,是否会使端横梁两翼出现较大的拉应力,这就需要进一步的检验。为此,对立交工程中I匝道上的31+38.67+31m一联的曲线连续梁桥进行了施工监测。该联上部结构为现浇预应力混凝土连续箱梁,梁宽8.0m,梁等高1.5m,C45混凝土,曲率半径为70m。下部结构梁的中间墩为独柱,与箱梁为偏心固结,直径1.8m;梁的两端为双柱帽梁结构,墩柱直径为1.2m。基础为嵌岩钻孔灌注桩,C25混凝土。3.1箱梁腹板与梁腹板的倒角位置在匝道桥的端支座横梁上埋置了应力应变计,测点设置在横梁与箱梁腹板相交的倒角位置和横梁跨中底面位置,如图6所示,具体位置详见表1。3.2预应力张拉过程中的拉应力施工的应力监测采用计算机进行不间断连续观测。施工浇注箱梁底板与腹板混凝土前后以及浇注箱梁顶板混凝土前后量测的各测点应力值见表2。表2中的应力数据基本上没有规律,但它反映出浇注的混凝土结硬后,在端横梁混凝土受内部温度作用的初应力基本为拉应力。当混凝土浇注完成,混凝土结硬达到强度的70%之后,便开始对箱梁的预应力束进行张拉。该联匝道桥的预应力束张拉连续进行,每束索张拉的时间不超过30min,每束索均采用两端同时张拉。将在预应力束张拉期间的测点应力变化绘制成图7,图中数据采集的时间间隔为50min,图中拉应力为负,压应力为正。从图中可清楚看到,张拉预应力束导致截面的应力变化,图中每一预应力束张拉时在截面应力曲线上便存在一个小的阶跃。当全部预应力束张拉完毕后,应力曲线逐渐维持着应力不变,近直线。支座截面上的应力测点在预应力束张拉前后的应力变化情况见表3。表3数据表明,预应力束张拉后使截面的应力大幅度增加,在端横梁上的应力测点则大部分呈拉应力。从图7的应力曲线图中明显可以看到,端横梁上的应力测点在预应力束张拉过程中导致了测点的拉应力不断增大,最终使拉应力较大的测点附近混凝土开裂。经观测预应力张拉后端横梁出现的细裂纹位置基本与出现拉应力的测点位置一致。实测的应力数据验证了理论分析结论的正确性,由于支架的摩阻力不能完全约束端横梁的变位,因此实测的拉应力比理论计算值小。但由于这种约束的存在,导致了端横梁加长的两翼出现了较大拉应力而产生裂缝。4结论通过对加长端横梁在张拉预应力作用下的理论分析和施工过程的应力监测