大跨预但应力混凝土箱梁腹板裂缝的分析及预防措施研究.doc

大跨预应力混凝土箱梁腹板裂缝的分析及预防措施研究 桥隧工程 大跨预应力混凝土箱梁腹板裂缝的 分析及预防措施研究 张守峰 （山西高陵高速公路有限公司，山西 摘 晋城048000） 要：大跨径预应力混凝土连续梁桥箱梁应用广泛，针对其在运营过程中易出现腹板裂缝的情况，从设计与施工两 个方面进行了分析，并探讨了可以采取的预防控制措施。关键词：预应力混凝土；箱梁；腹板裂缝；分析；预防中图分类号：U44 文献标识码：B 预应力混凝土连续（刚构）箱梁桥因其具有跨越能力较大、整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点，在我国得到了广泛的应用。在我国已经建成的预应力混凝土连续箱梁桥中，部分桥梁在运营过程中，出现了不同程度的裂缝情况。预应力箱梁出现的裂缝主要有：箱梁顶板和底板的纵向裂缝，箱梁腹板的斜向裂缝，特别是靠近边跨现浇箱梁端部范围的两侧腹板出现近45°的斜向裂缝，这些裂缝的性质大部分为受力裂缝，且宽度较大。箱梁腹板裂缝使箱梁整体结构的抗扭转能力、抗剪能力、跨越能力乃至结构承载力下降，桥梁挠度进一步加大，桥梁结构的安全性受到威胁。箱梁的开裂与下挠还是相互影响的，从某种意义上讲，箱梁开裂，尤其是腹板斜向开裂，导致了桥跨下挠过大。本文从设计与施工两个方面分析研究如何有效地控制箱梁腹板裂缝的产生，以期为设计与施工提供参考。 11计算模式不完善 目前国内预应力混凝土桥梁结构分析多采用平面杆系有限元分析程序，这种计算模型对于箱梁截面的总体应力基本是准确的，但对于局部应力则无法反映。现在的各种通用有限元分析软件，对PC桥梁结构线弹性受力模拟较好，但对非线形受力行为模拟存在一定的困难，要对所有的大跨PC箱形梁桥实施三维空间有限元分析。 设计规范充分考虑了纵向预应力的计算，但对竖向应力的设计没有作特别的说明，现阶段纵向预应力的计算是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，很明显现阶段的纵向预应力的计算方法不能用于竖向预应力计算。近年来修建的多向预应力混凝土箱梁桥梁大多数在腹板均产生了不同程度的裂缝，竖向预应力计算与设计分析不当是重要原因之一。因此，正确估计腹板竖向预应力在腹板内产生的应力特征，对防止腹板开裂有重要意义。 12腹板竖向预应力损失考虑不足 我国现行设计规范充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对坚向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，而竖向预应力有其自身的特点：竖向预应力筋比较短，与纵向预应筋相比达到相同的应力水平，其弹性变形要小得多；竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端则排列在箱梁的某个截面上。显然，纵向预应力弹性压缩损失的计算方法不适于竖向预应力的计算。 混凝土箱梁竖向预应力在锚固端附近区域会产生 1预应力混凝土箱梁腹板开裂的设计原因 大跨径预应力混凝土连续梁桥一般情况下采用3向预应力结构，即在腹板顶部和顶板靠近腹板的两侧以及底板布置群锚的纵向预应力体系、在顶板横向布置的横向预应力体系、在腹板布置的竖向预应力。目、公路前箱梁的预应力体系存在着计算模型不完善 桥涵设计规范对预应力的损失计算不足、箱梁构件设计不合理，这些都是预应力混凝土箱梁产生裂缝的重要原因。 作者简介：张守峰（1971），男，山西阳城人，工程师，从事公路工程施工研究 2011年5期（总第77期） 竖向拉应力，这类拉应力将加剧箱梁腹板与顶板过渡部位的开裂。13 箱梁构造设计不当 有些设计者过于追求桥梁的美观及跨径，忽视对箱梁细部构造的考虑，使得箱梁截面日趋纤薄，横隔板日渐减少，底板腹板偏薄，齿板局部承压面积不足。有些项目的设计过多的进行了结构优化，造成腹板厚度过薄，预应力筋和钢筋布置缺乏合理的保护层和间距数量的要求。 施工制造的误差，造成箱梁两侧腹板厚度不均匀，这必使较薄一侧的腹板首先开裂；不可避免的偏载及两侧腹板混凝土内部不均匀缺陷等因素所造成的两侧腹板受力不均匀。 箱梁两侧腹板设计时是将两侧腹板假定均厚然后简化成工形来设计和计算抗裂性的，箱梁两侧腹板厚薄不均会导致受力不均，也会产生裂缝。14温度应力的影响 理论分析和实践研究均已证明，在大跨预应力混凝土箱形梁桥特别是超静定结构体系中，温度应力甚至超出荷载应力的影响，这已被认为是预应力混凝土箱形梁产生开裂的主要原因之一。 温度梯度对混凝土梁桥的影响较大，除了与结构截面形状和尺寸、桥面铺装层材料和厚度有关外，还与太阳辐射强度、桥址位置和方向、大气透明度、风速、地形地貌等诸多因素有关。采用平面杆系理论，并按现行规范规定的温度变化模式分析计算具有明显空间受力特征的箱形结构的温度应力存在一定不足，计算准确程度略低，计算具有一定的局限性。 着明显的单根张拉力值不均匀性。同时，与设计预期的锚下应力值之间的差值也较大。随着运营时间的增长，箱梁内预应力钢束的松弛效应也愈加明显。 公路桥涵施工规范规定：预应力筋张拉时，一般先张拉调整到初应力后再正式分级张拉。而实际施工中很少进行了钢铰线的初应力调整工作。原因有二，其一是钢铰线初应力调整工作较为费时间，其二是工地现场操作起来比较困难。因此，张拉锚固后各根钢铰线存在着不均匀的锚下应力。22竖向预应力 因高强度精轧螺纹钢筋施工工艺简单，经济性好，常作为箱梁腹板的竖向预应力筋。但在实际应用中，设计施工中的许多因素可能造成精轧螺纹钢筋预应力损失过大或失效，使实际的永存预应力低于预期值，竖向预应力筋起不到应有的的作用，造成腹板出现主拉应力裂缝，对桥梁的刚度和耐久性产生不利影响，降低桥梁使用寿命，并存在安全隐患。 由于竖向预应力体系安装中操作不认真造成浇注混凝土后锚垫板与预应力钢筋不垂直，在张拉过程中操作不细致而使千斤顶、拉杆与预应力钢筋的中心没有保持在同一直线上，在锚固中螺帽没有拧紧到位，在超张拉、二次张拉和2次张拉时间间隔上没有认真研究，在张拉时机选择上没有全面考虑，在预应力管道压浆水化热控制上不够重视等，这些因素的综合作用造成竖向预应力损失过大而达不到设计要求，从而造成腹板开裂。 23箱梁结构施工 在施工过程中，影响预应力的损失有很多种，如砂石等材料特性、外界环境、锚固损失、施工工艺、水泥浆水化热、施工设备性能等都会影响三向预应力筋的有效预应力值，这些因素对预应力筋预应力的损失影响程度需要进行深入、系统的研究。对于后张拉预应力结构，有预留孔道磨擦、锚具变形和构件弹性压缩等引起的瞬时预应力损失和钢束应力松弛、混凝土干缩、徐变等引起的后期预应力损失。 预应力混凝土连续箱梁骨架钢筋多，施工难度大，骨架钢筋的安装位置，箍筋的制作、安装等均难达到设计要求，特别是齿板、腹板与底板相交处的梗掖截面等处的钢筋密度大，制作与安装更难达到要求；还有预应力管道较多，管道的定位较难控制，容易出现较大的偏差，这些都为将来箱梁出现裂缝埋下了隐患。 预应力的张拉时间只是以混凝土的强度为依据，没有考虑到混凝土的徐变影响，造成运营过程中应力 2011年5期（总第77期）191 2影响箱梁腹板裂缝施工原因 良好的施工质量是预防预应力混凝土连续箱梁开裂的重要因素，施工过程中，需要对各个施工阶段进行细致的结构计算分析，确定合理的纵、横、竖向预应力筋的张拉次序，是控制腹板不出现裂缝的一个重要的措施。 21纵向预应力 大跨预应力混凝土连续箱梁施加的纵向预应力值与设计预期值相比偏低，其偏离幅值一直以来成为众多技术人员所关心的焦点问题，也是众多桥梁同类桥梁产生腹板裂缝的一个重要原因。目前连续箱梁纵向预应力都是采用大吨位的群锚整体张拉工艺，由于在施工过程中，一般都很少进行了钢铰线的初应力调整工作，因此，张拉锚固后各根钢铰线存在着不均匀的锚下应力。可见，目前大吨位群锚整体张拉工艺存在 桥隧工程 损失过大、桥跨下挠过大，而桥跨下挠过大反过来又会加剧腹板裂缝的发展。 制锚垫板安装倾角误差，保证两端锚垫板平面与竖向预应力钢筋尽量垂直并定位牢固，做到“两平一直”。力争将锚垫板与螺帽的实际夹角控和“三轴同心” 制在1°以内。使用扭矩板手拧紧螺帽，对精轧螺纹钢筋的锚固扭矩采取二次张拉和超张拉工艺，也是保证竖向筋预应力的有效措施。 （3）重视水泥浆水化热结竖向预应力的影响，管道内压浆后，在浆体固化过程中，浆体产生水化热，此时浆体的强度、弹性模量较低，预应力钢筋受热后相对自由的膨胀，由于预应力钢筋的两端已经锚固，长度不变，因此其应力将随温度升高而降低。待管道内水泥浆有较高强度和弹性模量并与预应力钢筋黏结成整体后，随着浆体温度降低，浆体将传递部分原锚下应力，预应力钢筋的锚下应力则不能恢复到原有水平，预应力钢筋的锚下应力则不能恢复到原有水平，预应力钢筋内应力分布发生变化。 3设计上采取的控制腹板裂缝措施 （1）先采用杆系有限元对预应力箱梁结构进行整体受力分析，然后采用三维空间有限元对结构的局部受力进行详细的分析，这样既能减少大量的结构分析所花费的时间，同时又能有效地避免预应力效应带来的局部开裂问题。 （2）随着预应力筋防腐工艺的不断改进，无论是采用体外预应力技术还是无粘结技术，都可以作为提高竖向预应力筋的有效预应力的一种设计措施，易于满足安装、检查、维修，必要时，可更换。 （3）利用有限元软件对箱梁腹板竖向预应力筋的弹性压缩损失进行分析，得到竖向预应力筋受分批张拉的影响范围及影响规律；将箱梁腹板简化为弹性办学中半无限体模型，结合有限元分析结果总结出腹板竖向预应力弹性压缩损失的弹性解析公式。（4）跨中和边跨靠近边跨现浇箱梁的地方箱梁高度较矮，减去竖向预应力筋上下锚固的长度，有效预应力筋非常短，其预应力作用机理非常有限。在设计时，在腹板处需要增加普通钢筋，来提高腹板抗开裂的能力。 （5）当腹板与底板的厚度存在较大差异时，其相交处的梗掖截面形式需要进行优化。并布置适量的构造钢筋，避免温度、收缩和徐变的影响引起的裂缝。重视宽翼缘箱梁剪力滞效引起的翼板纵向应力的明显增大，配置足够的受力钢筋，避免裂缝的出现。 5结论 本文从设计与施工两个方面来分析研究如何有效地控制箱梁腹板裂缝的产生，提出了确保纵向预应筋和竖向预应力筋有效预应力以及腹板结构设计尺寸的有效性是控制腹板开裂的几项重要措施。纵向预应力关键是要使锚下预应力筋均匀受力；竖向预应力关键是要进一步改进和完善施工工艺，可以将无粘结竖向预应力技术作为一种替代目前采用精轧螺纹钢筋提供竖向预应力的发展方向；对跨中及边跨腹板、腹板和顶板及底板的联接处要精心设计，增设一些结构钢筋，确保不会出现应力集中；改进压浆工艺，减少预应力损失，确保压浆质量。 参考文献： 1李坚我国预应力混凝土连续梁桥的发展与工程实践城市道桥 2001（1）与防洪， 2刘山洪变截面PPC箱梁连续梁结构行为及非线性设计研究成 2001都西南交通大学， 3颜东煌，林鸣，袁明混凝土箱梁腹板竖向预应力筋的弹性压缩损 2007（4）失分析中外公路， 4钟新谷，李锋，等混凝土箱梁竖向预应力作用下腹板应力场分 2005（6）析湖南科技大学学报（自然科学版）， 5曹曼红，刘光明预应力混凝土桥梁裂缝的成因分析及维修加固 1999（1）国外公路， 6张聪预应力混凝土连续箱梁裂缝成因分析及预防措施城市道 2010（6）桥与防洪， 7徐华轩保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探讨铁道工程 2010（3）学报， 4施工上采取的控制腹板裂缝措施 确保施工质量，对预防连续箱梁腹板开裂起着很 重要的作用。在施工时，首先要加强对钢筋制作与安装的质量管理，使钢筋制作与安装符合设计要求；其次要加强预应力管道的定位安装，保证线形顺畅，不出现突折；模板安装时，尽量使用大块模板，确保模板的整体刚度，保证混凝土结构的几何尺寸。（1）采用单顶对大吨位千斤顶整体张拉后的群锚进行补张拉，确保每根钢铰线均匀受力，提高锚下应力值之间的均匀性。 （2）为保证有效预应力，需要进一步改进和完善施工工艺。施工中高度重视施工工艺的改进和完善，并通过现场试验，采取有针对性的施工措施。控 2011年5期（总第77期）