预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理.pdf
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1、第 1 2卷第 2期 2 0 1 5年 4月 铁道科 学与 工程学报 J o u r n a l o f Ra i l wa y S c ie n c e a n d En g i n e e r i n g Vo l u me 1 2 Nu mb er 2 Ap r i l 2 01 5 预应力混凝土 T梁裂缝成 因分析与处理 李昀 ( 1 中南大学 土木工程 学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 中南大学 高速铁路 建造技术国家工程 实验 室, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 : 石 长铁路沅水特 大桥随使 用年限的增长 , 多孔 3 2 IT I 预应力钢筋混
2、凝 土 T梁 出现不 同型 态的裂缝 。通过施 工温度 、 混凝土强度、 力学等方面对裂缝进行成因分析, 研究结果表明: 沿预应力管道方向纵向裂缝的主要原因是管道的曲率半径 减小 1 4 或预应力超张拉超过 1 4 , 使预应力管道处混凝土所受的拉应力超过混凝土的标准抗拉强度, 导致产生纵向裂 缝; 梁端竖斜向裂缝是因上、 下侧预应力钢柬预张力不同, 引起支座上端 T梁上翼缘底部处弯矩的不平衡, 其差值超过混凝 土的极限轴心拉 应力 , 导致裂缝产 生, 为以后 的桥 梁加 固提供 重要 的技 术支持 。 关键词 : T梁; 裂缝 ; 力学分析 ; 预 应力混凝土 中图分类号 : U 4 4
3、1 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 3 3 00 5 Ca u s e a n a l y s i s a n d t r e a t me n t o f c r a c k s i n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e T b e a ms ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1
4、0 0 7 5,C h i n a ; 2 N a t io n a l E n g i n e e r i n g L a h o r a t o r y f o r Hi g h S p e e d Ra i l w a y C o n s t r u c t io n ,C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5, C h i n a ) Abs t r a c t : W i t h t h e i nc r e a s e o f s e l wi e e l i f e,Yu a
5、ns h u i b r i d g e i n S h i e ha n g r a i l r o a d a p pe a r e d d i f f e r e nt t y p e s o f c r a c k s i n 3 2 m p r e s t r e s s e d c o n c r e t e T be a ms Th e c r a c k c a us e s we r e a n a l y z e d f r o m s e v e r a l a s p e c t s,s u c h a s t h e c o n s t r u c t i o n t
6、 e mpe r a t u r e,t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e,t h e me e h a n i e a l pe r f o r ma n c e I t i s f o u n d t h a t t h e ma i n c a u s e o f l o ng i t u d i n a l c r a c k s a l o ng t h e d i r e c t i o n o f t h e p r e s t r e s s e d p i p e i s t h a t wh e n t h e r a d i
7、u s o f c u r v a t u r e o f pi p e l i n e r e d u c e d b y 1 4o r t h e s t r e s s p r e s t r e s s e d mo r e t h a n 1 4 ,t h e c o n c r e t e t e n s i l e s t r e s s i n pr e s t r e s s e d p i p e e x c e e d s s t a n d a r d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e, t
8、h e r e b y r e s u l t i n g i n t h e l o n g i t u di na l c r a c k s;Th e v e r t i c a l di a g o n a l c r a c k s i n t h e b e a m t e r mi n a l a r e i n d uc e d b y d i f f e r e n t pr e t e n s i o n O H t h e up p e r a n d l o we r s i d e s Th e i mb a l a n c e o f b e n d i n g m
9、o me n t a t t he u p pe r b e a r i n g t o p fla n g e bo t t o m o f T b e a m i s t h e r e f o r e c a u s e d W he n t h e d i f f e r e n c e e x - e e e d s t h e c o n c r e t e a x i a l t e n s i l e s t r e s s,i t r e s u l t s i n t h e o c c u r r e n c e o f c r a c k s Th e f i n d
10、i n g s i n t h i s p a pe r pr o v i d e i mp o r t a n t t e c h n i c a l s u p p o r t f o r f u t u r e br i d g e s t r e n g t h e n i n g Ke y wo r ds: T b e a ms;c r a c k s;me c h a n i c a l a n a l y s i s;p r e s t r e s s e d c o n c r e t e 预应力混凝土 T梁桥是我国应用数量 最广泛 的一种桥型 , 在我国铁路大建设中起到了极其
11、重要 的作用, 普及面大、 地域广阔、 数量庞大。随着国民 经济和交通运输的迅速发展 , 我国铁路上有数量众 多的预应力混凝土 T梁桥 。虽然该种 T梁具有优 良的使用性能以及耐久性, 但近年来却不断发现腹 板存在纵向裂缝 、 斜向裂缝及直向裂缝等病害。针 对该种病害 , 已有许多 文献进行 了病害成 因的分 析 。 。 , 提出了种种设想 , 并初步探讨了几种可能 因素 , 但多是从施 工因素着手 , 局限于定性上 的分 析 , 未有量化的论证数据。本文结合石长铁路沅水 特大桥为实例 , 对引桥 T梁腹板出现的纵向裂缝 、 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 92 9 基金项目: 国家自然科
12、学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 5 1 1 ) 通讯作者 : 李昀 ( 1 9 7 5一) , 男 , 湖南邵阳人 , 高级实验师 , 博士 , 从事工程结构安全技 术研究 ; Em a i l : 4 4 2 6 4 1 7 1 q q c o rn 第 2期 李昀: 预应力混凝土 T梁裂缝成因分析与处理 3 3 l 斜向裂缝、 直 向裂缝及应对措施进行探讨 。 1 工程概 况 石长铁路 沅水 特大 桥 中心里 程 为石 长铁 路 K 9 2+ 5 6 6 , 位于石长线常德东站与德 山站之 间, 主 跨为 26 2 m+ 59 6 m预应力混凝土箱梁 , 引桥 为 3 2 m预应力
13、钢筋混凝土 T梁 , 共计 9 3孔 ( 北引 桥 6 4孔 , 南引桥 2 9孔 ) , 桥梁设计荷载为“ 中一活 载” 。引桥桥墩为矩形截面混凝土板式墩 , 桩基础。 桥长 3 6 8 2 9 3 m, 桥 上线路为 曲线。桥梁 于 1 9 9 4 年开工 , 1 9 9 6年竣工 。 运营十来年 中, 多孔 3 2 m预应力钢筋混凝 土 T梁混凝土表面出现龟裂状裂缝及直线裂缝 , 沿预 应力管道方 向出现纵 向裂缝 , 梁端 出现斜竖 向裂 缝 。笔者从结构设计 、 施工方面分析探讨裂缝产生 的原因 , 并提出修补方案 。 2 裂缝类型及分布情况 经现场查勘 , 发现石长铁路沅水特大桥主
14、要裂 缝类型有 以下三大类 : 1 ) 混凝 土表面成龟裂状裂 缝及直线裂缝 ; 2 ) 沿预应力管道方向的裂缝 ; 3 ) 梁 端斜竖向裂缝 。 取现场 中裂缝比较典 型的 1片梁进行测量 , T 梁裂缝的分布见图 1 , 裂缝宽度见表 1 2 。 l 长沙 端外侧 -_ _ : - - -_ _- 一 f 石门端i 图 1 T梁裂缝 示意 图 Fi g 1 Cr a c ks i n T be a m 表 1 T梁长沙端外侧 Ta bl e 1 T b e a m e n d o ut s i d e Ch a n g s h a 表 2 T梁石 门端外侧 T a b l e 2 T b
15、e a m e n d o u t s i d e S h i me n g 3 裂缝成因分析 混凝土构件产生裂缝的原因很多, 涉及构造设 计 、 原材料质量、 混凝土自身固有特性、 施工和使用 环境及管理等各个方面, 裂缝的产生往往是以上原 因的综合。笔者对石长铁路 沅水特大桥的 T梁腹 板出现的裂缝现象 , 进行了分析和会诊。影响因素 及原因概括如下 。 3 1 混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝 混凝土因收缩所引起 的裂缝是最常见 的。特 点是大部分属表面裂缝, 裂缝宽度较细, 且纵横交 错 , 成龟裂状 , 形状没有任何规律。 有些有规则的直线裂缝属于温度裂缝 , 例如该 桥上翼缘板上的
16、斜裂缝 。混凝士受水泥水化放热、 阳光照射、 夜间降温等因素影响而出现冷热变化 时, 将发生收缩和膨胀 , 产生温度应力 , 温度应力超 过混凝土抗拉强度时, 即产生裂缝。可以初步推断 是由于水化热过大引起 的温度裂缝。由于水化热 作用, 使混凝土内部与外表面温差过大, 这时内部 混凝土受压应力 , 表面混凝土受拉应力 。由于混凝 土抗压强度远大于抗拉强度 , 表面拉应力可能先达 到并超过 昆 凝土抗拉强度 , 而产生间距大致相等的 直线裂缝 ( 称温差裂缝 ) , 该桥的上翼缘板上 的斜 裂缝形态正是如此。 3 2 沿预应力管道方向的裂缝 3 2 1 预应力管道压浆后 受冻膨胀 预应力管道压
17、浆时或压浆后如梁体保温措施 3 3 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 4月 采取不力 , 当环境温度低于 0 时 , 极易造成管道 内的压浆液受冻膨胀 , 使梁体混凝土在与管道垂直 方向的薄弱断面上产生较大的拉应力 , 该拉应力与 纵向预压应力因泊松效应产生的拉应力产生叠加 圈 , 当此拉应力达到了混凝土材料的极 限抗拉强度 时 , 该区域混凝土纤 维发生断裂 , 造成管道 内壁 出 现初始裂缝。当拉断的纤维退出工作后, 紧靠断裂 区的混凝土拉应力激增 , 从而导致新的混凝土纤维 出现断裂 , 裂缝逐 步 由管道 内壁 向混凝 土表面扩 展 , 直至最后到达梁体表面。
18、经现场查阅沅水特大桥 的张拉时问和压浆 日 期 。该桥建设期均属于南方 的春天 , 天气 比较好 , 气温比较高, 故可排除是预应力管道压浆后受冻膨 胀影起的裂缝 。 3 2 2混凝 土 强度 沅水特大桥施工工艺采用后张法。如果 预应 力张拉时,混凝土强度低 , 产生纵 向开裂。 沅水特大桥混凝土设计强度为 5 0 0号混凝土 , 强度等级相 当于 C 4 8 。经现场对该桥 的混凝土强 度进行检验 , 得出混凝土强度都满足设计要求 , 故 可排除是因混凝土强度低产生的裂缝 。 3 2 3 预 应 力及 管道 首先对 T梁沿预应力管道方 向的纵向裂缝受 力分析。 通过调查发现这种梁的裂缝往往出
19、现在预应 力筋张拉后, 也就是说预应力使梁产生的裂缝, 有 裂缝存在那么一定有一个与裂缝方 向垂直的力存 在 , 而这种梁一般为曲线型预应力管道 , 弯曲部分 的管道内壁 上缘将对预应力束 产生径 向压力 P, 如图 2所示。 图 2 曲线管道微分段预应力束受力示意 图 Fi g 2 Fo r c e di a g r a m o f p r e s t r e s s e d b e a m i n t h e o u r v e o f t h e pi p e l i ne s e c t i o n t o di f f e r e n t i a l 截取管道曲线部分 的微分段 ,
20、设曲率半径为常 数 r , P和 丁分别为单位长度预应力束所受 的法 向 压应力和摩擦力 , 为预拉力 , 为钢筋与管道壁的 摩擦系数, =p lx 。 将各力投影到 和Y 轴上, 有平 衡方程式 ( 1 )一( 2 ) : : 0 一 N+ ( |7v + d ) c 删 + p tx d O c 。 s 一 一 、 一 1 pr dO s i n d O : 0 ( 1 ) Y=O ( N+ d N ) s i n d O p z r d O s i n d O pr d O c 。 d O : 0 ( 2 ) 由于当 d 0 - - - 0时, c 。 s d O:c 。 s d O:1
21、 ,s i n d0 : d O, s i n d O : dO ,略去高阶微量 , 所以由式 ( 1 )( 2 ) , 得式 ( 3 )一( 4 ) ; 一 d N =p u r d O ( 3 ) p = N ( 4 ) 由式 ( 4 ) 可知 : 管道 内壁对预应力束产生径 向 压力为P , 那么预应力束对管道内壁产生的压力为 一 P , 预应力束对管道内壁产生的压力与该处预应 力筋的预拉力成正比, 与预应力筋的曲率半径 r 成反 比。当由径 向压力 一P产生 的对混凝土的压 应力大于混凝土 的标准抗拉强度 时,混凝土产生 裂缝。裂缝多沿肋上部的预应力束产生 , 这正是 由 于该预应力束
22、的曲率半径 r 较小, 而各束的是相 同的, 所以P相对较大。 按式( 4 ) 对前 面提到 的新桥 T梁底 板侧 边 中 部预应力束进行计算( 该束的曲率半径 r 最小) , 见 式( 5 )( 6 ) 。在这里 , 忽略管道摩 阻力对张拉力 的影响, 设混凝土所受的径向压应力为P , 因为 每束预应力束 由5根钢绞线组成, 所 以近似的取 2 根钢绞线的直径和作为钢绞线束与管道的接触宽 度 , J , 依据设计图纸取沅水特大桥钢绞线束的曲率 半径 r=1 2 m, 钢绞线的张拉控制应力取为 1 3 9 5 MP a , C 5 0混 凝 土 的 轴 心抗 拉 极 限强 度 =3 1 O M
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