预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究.pdf
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1、第 3 卷第 3 期 2 0 0 6年 6月 铁道科学与工程学报 J OURNA L OF R AI l f A Y S CI E NCE AND E NGI NEE RI NG Vo I 3 NO 3 J u n e 2 0 o 6 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究 钟新谷 ( 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 ) 摘要 : 根据预应力混凝土连续箱梁桥的特点, 在分析调查裂缝产生的原 因基础上提 出了该类桥的裂缝可分为 9种类型。 基于连续介质力学的理论 , 推导了考虑翘曲, 横 向弯曲, 畸变引起的二次应力的预应力变截面混凝土箱梁的空间分析的 u L 列
2、式, 编制了计算程序, 可方便进行混凝土多室箱梁线性与非线性分析; 对具体工程桥梁进行分析, 其计算的拉应力区 域和开裂区域与实际观测结果一致 ; 提出了预应力混凝土连续箱梁桥在今后的研究中应解决的几个基本问题。 关键词: 混凝土箱梁; 裂缝类型; 空间分析; 非线性分析 中图分类号: U 4 4 8 2 1 3 文献标识码: A 文章编号 : 1 6 7 2 7 O 2 9 ( 2 0 0 6 ) o 3 一O O O 7 0 8 An a l y s i s a n d p r e v e n t i o n o f t h e c roc k s i n c o n t i n u o
3、u s p r e s t r e s s e d co n c r e t e b o x g i r d e r b r i d g e s Z HONG Xi n - g u ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,H u n a n U n iv e r s i t y o f Sci c e a n d T e c h n o l o g y , X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : I n t h i s p a p e r b a s e
4、d o n the c h a r a c t e r s o f c o n t i n u o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o xg i r d e r b r i d g e s a n d the r e a - 8 o n $o f c r a c k i n g ,c r a c k s i n the m a r e c l a s s i fi ed i n t o 9 t y p e s T h e n a U L f o r mu l a o f s p a c e a n a l y s i s f o r v
5、a r i a b l e c r o s s s e c t i o n b e a ms i s d e ri v ed ,b a s e d o n the the o r y o f c o n t i n u o u s medi u m,w h i c h c a n g e n e r a l l y c o n s i d e r the s e c o n d a r y s t r e s s c a u s e d b y d i s t o r t i o n,l a t e r a l l o a d d i s t r i b u t i o n and wa r
6、p i n g A p rog r a m i s a l s o edi t ed t o d o the l i n e r and n o n l i n e a r ana l - y s i s f o r c o n c r e t e m u l t i c e l l b o x b e a m s c o n v e n i e n t l y , the t e n s i o n and th e c r a c k i n g r e gio n s d edu c ed b y w h i c h i s c o n s i s - t e n t w i th th
7、a t o f s u r v e y o n H u a n g p e n x i B r i d g e Ke y wo r d s : c o n c r e t e box b e a m;t y p e of c r a c k ;s p a c e a n a l y s i s ;n o n l i n e a r a n a l y s i s 1 概况 我国从 2 O世纪 7 0 年代修建北京复兴门立交 桥 ( 1 9 7 3年 ) 起 , 预应力混凝 土连续梁 箱梁桥 开始 迅速发展和广泛应用。 目前 , 我 国已建和在建的很 大一部分桥梁为预应力混凝土连续箱梁桥。预应
8、力混凝土连续箱梁桥以其结构刚度大、 行车平顺舒 适 、 伸缩缝少和养护简单等一系列优点 , 备受欢迎。 目 前在 4 0 M 1 5 0 m范围内, 预应力混凝土连续箱梁 已成为最 主要 的桥型之一 。 然而 , 随着预应力混凝土连续箱梁桥在我国各 地的广泛应用, 有关该桥型在营运过程中出现病害 的情 况也 越来 越 多。例 如湖 南省 交 通 有关 部 门 1 9 9 8 年底对 2 0世纪 8 O年末 期在湘江所建 的几座 连续箱梁进行检查时 , 发现混凝土箱梁腹板大面积 开裂 , 最大裂缝宽度达 1 6 F l l l n , 最长达 1 4 0 0 c m; 预 应力混凝土连续箱梁桥在
9、其他省份均存在不同程 度的开裂【 卜 J , 调查表 明箱梁 的腹板裂缝 最为常 见。江西省这种情况也同样存 在。超 出设计许可 的裂缝对箱梁桥 的耐久性和营运 的安全构成 了很 大的威胁 , 同时箱梁桥腹板裂缝 的存 在具有一定的 普遍性, 使得工程界对箱梁桥的应用开始产生不 收稿 日期 : 2 0 0 60 3一O 1 基金 项目: 湖南 省 自然科学基金资助项 且( O 1 J J Y 2 0 4 9 ) 作者 简介: 钟新 谷( 1 9 6 2一) , 男 , 湖南 宁乡人 , 教 授 , 从事桥 梁结构工 程研究 维普资讯 铁道科学与工程学 2 0 0 6 年6 月 8 安, 甚至怀
10、疑, 因而影响预应力混凝土连续箱梁桥 在公路建设中的进一步推广和应用。 我国高速公路的跨江、 跨河的桥梁, 在理论上 和设计上没有完全解决混凝土箱梁桥腹板开裂问 题的情况下, 目前大多数仍采用预应力混凝土连续 箱梁。这给高速公路今后的正常运营留下了重大 安全隐患。 1 1 现代混凝土箱梁桥的基本特点 近2 0 多年来, 混凝土箱梁的发展具有如下几 个方面的特点: 1 ) 截面形式多样( 图 1 ) ; 2 ) 跨度变化大; 3 ) 采 用多向预应力; 4 ) 适用多种结构形式结构形式有三 跨至多跨连续梁( 包括 V形墩, 双支薄壁墩等)以 及连续刚构和 T形刚构等墩梁固结连续体系。 5 ) 适
11、用于多种施工方法; 6 ) 采用高性能泵送混凝土 ( 参有几种外加剂) 浇注, 且混凝土强度高 , 大多在 C 4 0以上 。 单箱单童 单箱多室 宽翼缘倒梯形 图 1 箱形梁截面类型 F i g 1 Ty p e o f b o x b e a m o t i o r l 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝产生的原因是 多方面的, 涉及设计计算、 设计的构造配筋、 施工工 艺、 气候条件、 日常养护等各个方面, 通过对多座预 应力混凝土箱梁裂缝形式和状态的调查, 其裂缝的 形式和发生的位置均具有一定的规律性, 预应力混 凝土箱梁裂缝的分布和腹板的裂缝分布大致分为 9 种情况: 1 ) 边跨斜裂缝,
12、主要发生在支座附近, 斜 裂缝的倾角为4 5 。 左右, 如图2 所示; 2 ) 边跨水平裂 缝, 主要发生在边端支座附近、 腹板的上缘, 如图 3 所示; 3 ) 中跨斜裂缝, 主要发生在支座附近, 斜裂缝 的倾角为4 5 0 左右, 如图 4 所示; 4 ) 中跨水平裂缝, 主要发生在 1 4 3 4 跨之间, 靠近腹板的上缘, 如 图5 所示; 5 ) 边跨的水平裂缝、 斜裂缝同时发生, 水 平裂缝靠近腹板上缘 , 少数情况在腹板的下缘也有 水平裂缝产生, 如图 6 所示; 6 ) 中跨的水平裂缝、 斜 裂缝同时发生, 水平裂缝靠近腹板上缘, 少数情况 在 腹 板 的 下 缘 也 有 水
13、 平 裂 缝 产 生 , 如 图 7 所 示 ; 7 底板、 顶板平行轴向的裂缝 , 如图 8 所示; 8 ) 箱梁横 隔板的放射性裂缝, 在人洞之间的竖向裂缝, 如图 9 所示; 9 ) 预应力锚 固部位的齿板附近的裂缝, 如 图2 边墩腹板斜裂缝 F i g 2I n c l i n e d c r a c k si n s i d es p a nwe b 图 3 边墩腹板水平裂缝 F i g 3 Ho r i z o n t a l c r a c k si n s i d es p a nwe b s 图4 跨中腹板斜裂缝 F 4 I n e l i n e d c r a c k
14、s in i n n e r-s p a n s we b s 图5 跨中腹板水平裂缝 F i g 5 Hi z o n t a l c r a c k s i n i n n e r s p a n s e b s 图6 跨中腹板同时产生的水平斜裂缝 F i g 61 n c l i n e d c 呲 k swi t h h o r i z o n t a le si ni n n e rs p a n e b s 图 7 边跨腹板水平与斜裂缝 F i g 7 i n e d c r a c k s w i t h h o r i z o n t a l 0 n e s i n s i d
15、 e s p a n 如 图8 顶板底板裂缝类型 F i g 8 Cr a c k si nt o p a n d b o t t o m b o a r d 维普资讯 第 3 期 钟新谷: 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究 9 图9 横隔板裂缝类型 F i g 9 Cr a c k si n d i a g r a ms 图 l O 底板齿板裂缝类型 F i g 1 0 Cr a c k si nt o o t h b o a r d s 1 3 箱梁裂缝产 生的初步原因分析 箱梁腹板的主拉应力公式为( 拉应力为负) : : 一 一 Z-2 o21 ( 1) 一 广 一 式中: o -2
16、 f 为箱梁腹板的主拉应力; o -k为箱梁腹板 轴向的正应力; O h y 为箱梁腹板竖向的正应力; r 为 箱梁腹板剪应力。 按照经典梁理论, 箱梁腹板的 = 0 , 中性轴附近剪应力最大, 由( 1 ) 式及经典梁理 论可知, 在腹板的中性轴主拉应力最大, 若主拉应 力超过混凝土的极限抗拉强度 , 则腹板会产生如图 2 、 图4 所示的斜裂缝。 按照经典梁理论各有关设计 院应该能按( 1 ) 式计算箱梁腹板的主拉应力, 通过 配置预应力筋及适当的构造措施使各控制截面的 主拉应力符合相关的设计规范要求。 对于现代大跨度混凝土箱梁桥, 特别是横隔板 较少的箱形梁在荷载作用下箱梁的变形并不完全
17、 符合经典梁理论周边刚性假定 , 会出现如图 l l 所 示的截面畸变变形。 箱梁腹板必 然会产生如 图 l 2 所示的应力。 计算分析结果表明, 大跨度混凝土箱 粱腹板的竖向正向应力与腹板的轴向应力在同一 个数量级, 例如杭宁高速公路的黄盆溪大桥腹板竖 向拉应力达最大达 7 M P a 。 按照( 1 ) 式, 计人腹板竖 向正应力的影响 , 很 明显在腹板 的上缘 、 下缘 的主 拉应力容易超过有关设计规范的规定, 由于板上下 缘处的剪应力为 0 , 主拉应力的方向与腹板竖向方 向基本相同, 所以一般在上缘产生水平裂缝。 腹板 竖向正应力作用同样使得在中性轴附近的主拉应 力易超过规范的规定
18、而产生斜裂缝 , 一般设计 中很 难对箱梁畸变变形进行分析, 没有考虑箱梁畸变应 力是导致箱梁腹板开裂的主要 原因之一 。 同理 , 如 图l 2 ( b ) 所示, 箱梁顶板、 底板的裂缝是箱梁畸变 和横向弯 曲产生的附加应力导致 的, 按照( 1 )式计 算箱梁顶的主应力, 必须考虑顶板、 底板的横向方 向正应力。 由于在箱梁 的顶板和底板 的剪应力相对 较小, 所以主应力的方向大致与箱梁的顶板、 底板 的横向方向基本相同, 那么产生的裂缝方向大致与 桥轴方向平行。 对箱梁的横隔板的人洞放射性裂缝 主要是人洞造成的集 中应力产生的 , 相关设计院完 全可以通过进行局部的块体有限元分析主拉应
19、力, 采取适当的构造措施避免裂缝的产生。 对于图 9 中 的竖向裂缝一般产生于支座处的横梁, 这主要是支 座的反力作用。 类似于轴向杆件在受到轴向压力作 用下产生的轴向劈裂裂缝。 2 预应力变截面混凝土箱梁桥的力 学分析模型 2 1 混凝土箱梁桥空间分析模型 解决多室箱梁的分析从理论上讲应综合考虑 约束扭转, 截面的翘曲, 畸变, 剪力滞, 载荷的横向 分布以及上述因素引起的二次应力。 在此基于连续 介质力学的理论推导了能进行预应力变截面箱梁 的空间分析的 U L 列式 , 编制 了计算程序可方便 进行混凝土多室箱梁线性与非线性分析。 2 1 1 基本假定 1 ) 箱梁各点位移为无翘曲、 无畸
20、变、 无局部弯 曲的整体位移与箱梁各板件弯曲位移的迭加如图 l l 所示; 2 ) 多室箱形梁上翼板( 顶板) 、 下翼板( 底 板) 与腹板为刚性连接 ; 不考虑钢筋与混凝土的滑 移效应; 3 ) 多室箱形梁的整体位移符合平截面假 定, 即在变形前垂直于中性轴的截面在整体变位后 仍保持为平截面但不一定再垂直于中性轴; 4 ) 忽 略腹板与翼板在横向方向的变形( 如图 l l 所示 z 方向) ; 5 ) 忽略在变形过程中的梁体积变化。 ( a )一符合 ; ( b ) 一箱梁截面畸变变形 图 l 1 箱梁截面位移模式 Fi g 1 1 Di s p l a c i ng mo d e l o
21、 f b o x b e a m s e c t i o n 维普资讯 l 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年 6 月 图 l 2 腹板竖向和顶板横 向应力分布规律 F i g 1 2 T r a n s v e r s e s t r e s s d i s t rib u t i o n i n w e b s a n d t o p b o a r d s 2 1 2 多室箱形梁的离散方法 首先, 沿箱梁纵向将梁离散为若干个梁段单 元, 梁段单元各腹板与顶底、 板的刚性连接为梁段 单元结点, 如图 1 1 ( a ) 所示。 其次, 为了计算箱形梁 翼板、 腹板的面
22、外弯曲, 剪力滞后( 腹板没有) 及横 截面畸变, 沿各个梁段单元纵向截取单位厚度的箱 梁横截面视为空腹桁架单元, 再次截取横截面空腹 桁架单元的杆件为一平面梁单元如图 l 1 ( b ) 所示, 用三次插值函数描述其位移。 然后, 用有限条的概 念, 将空腹桁架单元节点位移参数用三次多项式表 为箱梁梁段单元节点位移参数的函数。 这样无论是 单箱多室, 还是多箱多室或单室均可以以刚性结点 之间的空腹桁架单元杆件为基本单元作箱梁的空 间分析。 对各横隔板取为有结点转角的四结点平面 单元, 根据单位长度的箱形梁截面( 视为空腹桁架 的) , 可将一维箱形梁单元离散形成下列几种基本 原件 : 1 )
23、 顶底板梁 ( 箱形翼板 ) ; 2 ) 竖直腹板; 3 ) 伸臂 梁; 4 ) 斜腹板梁( 如图 l l 所示矩形箱形截面则没 有 ) ; 5 ) 横隔板梁 ; 6 ) 端横梁。 各基本原件在箱梁一维梁段单元中的整体位 移( 图 l l ( a ) ) 与在空腹桁架单元中的局部位移迭 加得出其位移, 它最终被表为梁段单元各结点位移 的函数。 根据箱形梁截面的位移模式, 在求得各基 本单元截面的质点位移 一应变关系后, 建立虚功 方程 , 平衡方程 , 形成各 自局部 坐标下的刚度矩阵 后, 直接转换至总体坐标下的刚度矩阵。 这样有了 上述各种基本元件的刚度矩阵后, 可进行各种多箱 多室箱形梁
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