大跨度双层预应力混凝土连续梁桥裂缝产生原因分析与防治.pdf
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1、8 浙江 交通科技 2 0 0 6年第 3期 大跨度双层预应力混凝土连续梁桥 裂缝产 生原 因分析与防治 尹 向红 郭传 点 范厚彬 陈湘恺 ( 宁波交通工程 建设集 团有 限公 司 宁波3 1 5 0 1 0 ) ( 浙江省交通工程建设集 团 杭州 3 1 0 0 3 1 ) 摘要 文章针 对曹娥江大桥在首次施工箱粱 0 #、 1 #块时 , 横隔梁 、 腹板上 出现裂缝 这一现象进行 了理论分析及有 限元 计算 , 找到了其裂缝产生的原因 , 在以后施 工的 0# 、 1 #块箱 梁中采取 了裂缝 防治措 施 , 证明其适用于实际工程中。 关键词 连续箱梁桥 ; 裂缝 ; 分析与防治 1
2、引言 预应力混凝土连续箱梁桥具有线条流畅 、 造型 美观 、 结构刚度大、 行车舒适 、 施 工技术成熟 、 养护 简易等突 出优点 , 因此 , 它普遍受 到社会各界的青 睐 , 使用越来越广泛。预应力混凝土连续箱梁桥虽 然在我省 的发展起 步较迟 , 却发展很快。但是 , 预 应力混凝土连续箱梁桥在施工阶段和运营过程中 往往有不 同程度 的裂缝 , 并且所产生 的裂缝还具有 一 定 的普遍性 和规 律性 , 这 也是 一直 困扰 土木 科 技 工作者的难题 , 也越来越引起人们的重视。世界各 个国家有许多科研机构 和学者都在潜心研究裂缝 问题 , 如 美 国 的混 凝 土 协 会 、 英
3、国的水 泥 与 混 凝 土 协 会 、 德 国的 钢 筋 混 凝 土 协 会 、 法 国规 范 C C B A、 欧 洲混凝土协会 、 国际预应力混凝土协会 、 俄罗斯的 混凝土及钢筋混凝土研究院、 中国的建筑科学研究 院、 冶金部建筑研 究学 院、 长安大学 等研究机构 。 我 国也有很 多学者, 也一直在研究裂缝问题, 如赵 国藩 、 杨文渊等很多学者。 位于上虞市外环南路的曹娥江大桥 , 主桥为预 应 力混 凝土 连续 梁 桥 ( 见 图 1 ) 。 箱梁中心 线 I 一 50 925 i 999 图 1 混凝 土 主 梁 标 准 断 面 l 配跨为 5 5 m+5 7 2 m+5 5
4、m。主桥上层横断面 为 : 先张拉纵向预应力束 , 再张拉 5 0 的横向束 , 最 为 1 7 m ( 机动车道) +20 5 m( 防撞拦 ) , 总宽 1 8 m; 后张拉竖向预应力束。张拉完毕后 , 拆 除内、 外侧 下层为分离的两幅车道, 横断面为 21 5 m( 人行 模 , 模板拆除后发现有沿束道方 向的裂缝 , 规律性 道) +2 4 0 m( 非机动车道 ) +9 8 m( 混凝土连续箱 极强 , 见图 2所示 , 其长为 5 01 5 0 c m不等 , 裂缝距 梁) 。下部结构采用钻孑 L 灌注桩基础 , 桩直径有两 锚端约 2 m, 宽度不大 于 0 1 m m。笔者是
5、基 于上述 种 , 大 小 分 别 为 1 5 m、 1 2 m, 桩 长 一般 在 4 0一 情 况 而进行 分 析研 究 的 。 5 0 m范围。双层预应力混凝土连续箱梁在全 国范 2 裂缝产生原因分析与防治 围内屈指可数 , 仅江西南昌大桥一座 , 曹娥江大桥 2 1 裂缝产生原因分析 为第二座, 而在我省范围内为首例。该桥梁结构形 从广义上说裂缝是 固体材料中某种不连续现 式较 新颖 , 且具 有一 定 的施 工难 度 。在 严格 按 照 设 象 , 属 于结 构材 料强 度 理论 范 畴 。桥梁 结 构 的裂 缝 计和施工技术规范要求下, 施工单位在首次施工 0 是 由于结构材料 的
6、物理力学特性或荷载作用 , 而使 #、 1 #块( 1 4#墩 ) 时 , 在箱梁上仍 出现 了裂缝 , 裂 得结构的某些部 位所受 的应力大 于结构 自身 的抗 缝分布情况大致为 : 第一 、 横隔梁与腹板相交的倒 力而产生裂 缝。桥梁混凝 土结构产生裂缝 的因素 角处 发 现了水平 和竖 向裂 缝 , 竖 向裂 缝从 人 孑 L 处发 主要 有 : 与 材 料 的 性 质 有 关 ; 与 施 工 方 法 有 展到 自来水管预 留孑 L 处。第: 二、 在混凝土达到设计 关 ; 与使用环境条件有关 ; 与设计 因素有关 ; 强度 的 8 5 后 , 进行三向预应力束 张拉 , 张拉顺序 其它
7、方面的原 因 , 比如 , 对结构受力的复杂性认识 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年 第 3期 浙江交通科技 9 不足等。但从 力学机 理来看 , 上述 因素均可归结 为 : 混凝土裂缝是受拉应力产生 的。 图 2 腹板上 沿束 道方 向的裂缝示 意图 本桥 0 #、 1 #块箱梁在施工过程 中主要受以下 几种荷载 : 环境温度 、 硬化过程 中水化热等形成 的温度差 , 温度差导致温度荷 载; 预应力的张拉 荷载; 自重 、 施工人群等荷载。0 、 1 #块箱梁采用 贝雷搭设平台进行施 工的, 并且进行 了 1 0 0 的预 压 , 施工过程中整个 0撑、 1 #块箱梁受力状态应为
8、 超静定状态, 因此, 自重 、 施工人群荷载不致产生局 部裂 缝 , 可排 除是 因 为 它们 产 生 的裂 缝 , 而 横 隔梁 与腹板 相 交 的倒 角 、 人孔 与 自来水 管周 围受 预应 力 张拉荷载几乎没有 , 因此 , 我们可 以判定 , 横隔梁与 腹板 相交 的倒 角处 发现 的水 平 和竖 向裂 缝 , 以及 从 人孔 处发 展到 自来水 管预 留孔处 的竖 向裂缝 , 是 由 于环境温度 、 水化热 等引起 的温度裂缝 或收缩裂 缝。而箱梁腹板混凝土除受温度荷载外 、 主要还受 预应力张拉荷载, 因此, 现在不能简单地判定沿预 应力束道方 向的裂缝 是温度荷载或预应力张拉
9、荷 载所致 。为了分析沿预应力束道方向的裂缝 产生 原因, 笔者利用 V i s u a l F o r a n语言编制了相应的二 维实体有限元专用计 算程序。本文在对腹板进行 受力状态和变形情况计算时 , 做了如下假定 : ( 1 )假定混凝土为各 向同性 的线弹性材料 ; ( 2 )预应力视为外荷载 , 并把其换算为锚 下均 布荷载; ( 3 )因腹板 内仅有纵 、 竖 向预 应力束, 将腹板 受力情 况 简 化 为 平 面 应 力 问题 , 腹 板 纵 向 长 度 取 3 m, 竖 向长度 为 3 3 m, 采用 自制 的有 限元 网格 自动 剖分软件 D r a w 9 6 b把其划分
10、为如 图 3所示 的网格 图 , 单元类 型为 8节 点 等参单 元 , 其 中节点 总数 1 2 8 1 , 单元总数为 4 0 0 ; ( 4 )所取计算 截面上的单元 节点约束处理见 图 3 。 为 了确切 地 对 预 应 力 施工 顺 序 进 行 有 限元 数 值模拟 , 笔者进行了三种情况的计算, 它们分别是 : 第一 、 先张拉纵向预应力束 、 第二 、 先张拉竖 向预应 力束 、 第三 、 纵向预应力束和竖向预应力束同时张 , 、 、 , , 、 、 , 、 、 , , 、 、 | 1 | | 图 3 有限元网格 图 拉。把计算结果整理成最大主应力等值线图 和变形图, 见图49
11、, 其 中, 变形图 4 、 6 、 8中的实线 表示 有 限 元 网格 , 虚 线 表 示 变 形 ( 变 形 放 大 2 0 0 倍 ) 。 I I I + + + l l j f l l I ! l l I ll 1 L 。 i + 丰 * Ir 下 r广 群 l l 卜 一 图 4 先张拉纵向预应力束 的变形图 维普资讯 http:/ 1 0 浙 江交通科 技 应力单位为 M P a 2 0 0 6年第 3 期 拉荷载: 同作用所致 。 成力 位 ( M P a ) 纵向长度 ( 单位 m ) 图7 先张拉竖向预应力束的主应力等值线图 图 5 先张拉纵 向预应力束的主应力等值线 图 l
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