大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋的抗裂性分析

1、第 11 頁中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院綜合實訓(xùn)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋的抗裂性分析（中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 土木09-1班 林浩）摘 要：針對目前大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁普遍出現(xiàn)裂縫的問題，本文以廣東省磨刀門大橋為工程背景，研究了影響大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋抗裂性能的主要因素。主要研究內(nèi)體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)通過大量文獻資料的調(diào)研，提出了對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋的抗裂性分析關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力狀態(tài)的觀點，要對結(jié)構(gòu)進行基于空間應(yīng)力狀態(tài)的抗裂性分析，特別是結(jié)構(gòu)局部空間應(yīng)力狀態(tài)的分析。(2)對結(jié)構(gòu)進行空間整體抗裂性能分析，分別計算了永久荷載(恒載、預(yù)應(yīng)力)+各單項因素(收縮徐變、溫度

2、影響力、變位影響力及活載)作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，指出了采用平桿系計算軟件的設(shè)計方法在分析箱梁空間應(yīng)力方面存在的不足，得出了對結(jié)構(gòu)空間受力影響大的因素為預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、其次為局部溫差效應(yīng)的結(jié)論。 根據(jù)本文的計算分析，可知對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋進行基于空間應(yīng)力狀態(tài)的抗裂性分析是很有必要的。通過結(jié)構(gòu)局部空間應(yīng)力分析，在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計中對底板預(yù)應(yīng)力配置、底板線形以及底板防崩鋼筋進行更為合理的設(shè)計，能更好的避免底板裂現(xiàn)象的發(fā)生。關(guān)鍵詞:大跨度；預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋；抗裂性；預(yù)應(yīng)力配束方案1 緒論1.1 問題的提出及研究意義 連續(xù)梁具有結(jié)構(gòu)連續(xù)、剛度大的優(yōu)點，又可以根據(jù)梁的彎矩分布、變化主

3、梁的高度達到合理、經(jīng)濟設(shè)計的目的;結(jié)構(gòu)的線形亦簡潔優(yōu)美，因而在中小跨徑的梁橋方案中，應(yīng)用較廣。五十年代后，由于預(yù)應(yīng)力工藝的逐步成熟以及懸臂方法的采用，T形剛構(gòu)方案一度在百米跨徑以上的大跨度梁橋方案中占有優(yōu)勢。從六十年代開始，出現(xiàn)了新型的將T形剛構(gòu)和連續(xù)梁結(jié)合起來的連續(xù)剛構(gòu)體系，又稱為墩梁固接體系。早期的預(yù)應(yīng)力T形剛構(gòu)橋隨著跨徑的不斷增加，活載撓度明顯加大，對結(jié)構(gòu)使用造成不便。而大跨連續(xù)梁的支座反力愈來愈大，對巨型支座的設(shè)計、制造、養(yǎng)護和更換都提出了更高的要求，而且費用昂貴。因此，在大跨徑連續(xù)梁橋中普遍開始采用墩梁固接的連續(xù)一剛構(gòu)體系。 截面形式的選用與橋梁的跨徑、靜力體系、荷載、使用要求和施工

4、條件密切相關(guān)。常見的截面形式有空心板、T梁和箱形梁等。箱形截面有較大的剛度和強大的抗扭性能，并具有較T形截面高的截面效率指標，同時它的頂板和底板面積均比較大，能有效地承擔正負彎矩，并滿足配筋的需要。因此，在已建成的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中，當跨度超過40 m后，其橫截面大多為箱形截面。此外，當橋梁承受偏心荷載時，箱形截面梁抗扭剛度大，內(nèi)力分布比較均勻;在橋梁處于懸臂狀態(tài)時，具有良好的靜力和動力穩(wěn)定性，對懸臂施工的大跨度橋尤為有利。由于箱形截面整體性能好，因而在限制車道數(shù)通過車輛時，可以超載通行，而裝配式橋梁由于整體性能差，超載行駛車輛的能力就很有限。因而，箱形截面形式在現(xiàn)代各種橋梁中得到廣泛應(yīng)

5、用。尤其是各種結(jié)構(gòu)形式的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，采用箱形截面更能適應(yīng)構(gòu)造和施工要求，從而在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展。無論是公路或城市橋梁、高架道路，還是跨越寬闊河流的大橋，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋均成為了首選的橋型方案之一。并且隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的進步，預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)水平的提高，三向(即縱向、橫向、豎向)預(yù)應(yīng)力開始應(yīng)用于箱梁截面，并且取得了良好的經(jīng)濟效果，這也使得箱形梁的應(yīng)用日漸廣泛。表1.1國內(nèi)外部分大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋 然而，通過大量的文獻資料查閱，可以發(fā)現(xiàn)，己建成的此類橋梁，在橋梁的施工階段或使用過程中，普遍出現(xiàn)各種不同性質(zhì)不同類型的裂縫。部分橋梁的裂縫情況在表1-2中列出從表中可以看到，對

6、于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面橋梁，截面的開裂問題己經(jīng)成為了一個較為普遍的問題。 裂縫對橋梁性能的影響是多方面的，一是對橋梁使用性能的影響，開裂使橋梁剛度降低變形增大，跨中撓度超標，繼而影響其正常使用，嚴重的開裂問題導(dǎo)致橋梁承載力下降，影響橋梁的安全性能。二是對橋梁的耐久性及使用壽命的影響，裂縫會加速混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕，鋼筋銹蝕又加速了裂縫的進一步擴展，造成橋梁使用性能趨于惡化，降低橋梁的使用壽命。因而，對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋開裂問題的研究需要引起橋梁工程師的重視。1.2 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋裂縫分類概況1.2.1 裂縫概念 當混凝土中拉應(yīng)力大于其抗拉強度或拉應(yīng)變大于其極限拉應(yīng)變

7、時，混凝土會產(chǎn)生裂縫。 裂縫對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的危害程度有輕有重，輕的只是影響橋梁的外觀，嚴重的將直接影響結(jié)構(gòu)的使用性能。1.2.2 裂縫種類 裂縫就其開裂深度可分為表面的、貫穿的;就其在結(jié)構(gòu)物表面形狀可分為網(wǎng)狀裂縫、爆裂狀裂縫、不規(guī)則短裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫、斜裂縫等:裂縫按其發(fā)展情況可分為穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的、能愈合的和不能愈合的;裂縫按其產(chǎn)生的時間可分為混凝土硬化之前產(chǎn)生的塑性裂縫和硬化之后產(chǎn)生的裂縫。 結(jié)構(gòu)物在實際使用過程中，主要承受兩大類荷載，第一類荷載包括各種靜荷載、動荷載以及其他荷載，第二類荷載即變形荷載。按照裂縫的主要成因，一般將裂縫分為荷載裂縫和變形裂縫。 荷載裂縫即結(jié)

8、構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力超過其極限拉應(yīng)力時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫。荷載引起的裂縫一般又可分為:直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫，顧名思義，即由外荷載直接作用引起的應(yīng)力超限產(chǎn)生的裂縫。次應(yīng)力裂縫，即外荷載作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，由結(jié)構(gòu)次內(nèi)力引起的裂縫。 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中典型的受力裂縫，有發(fā)生在最大正彎矩和負彎矩處的彎曲裂縫，出現(xiàn)在支點到彎矩的反彎點之間的剪切裂縫，預(yù)應(yīng)力錨頭局部承壓伴隨的裂縫，以及預(yù)應(yīng)力筋曲線布筋時由預(yù)應(yīng)力筋徑向力導(dǎo)致的混凝土局部劈裂或崩裂等等。 結(jié)構(gòu)因溫度變化、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降等因素產(chǎn)生的裂縫即變形裂縫。此類裂縫的起因是結(jié)構(gòu)首先要求變形，如果變形受到約束使得變形

9、得不到滿足時就會引起約束應(yīng)力。當約束應(yīng)力與直接荷載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加并超過其極限抗拉強度時，混凝土產(chǎn)生裂縫。此類裂縫一般稱之為變形裂縫。一般認為，由于變形產(chǎn)生的裂縫占橋梁混凝土裂縫的80%以上。 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中典型的變形裂縫有，在混凝土澆筑初期、結(jié)構(gòu)尚未加載之前混凝土硬化期間由于水化熱導(dǎo)致溫度差異發(fā)生的裂縫，由于分層澆筑產(chǎn)生的約束變形在混凝土強約束區(qū)導(dǎo)致的混凝土裂縫，以及由于構(gòu)件之間剛度差引起的混凝土開裂。1.2.3 裂縫產(chǎn)生的背景分析 水泥石和集料間的粘結(jié)強度約為水泥石抗拉強度的40-70%，在混凝土凝結(jié)過程中，水泥石失水干縮，在水泥石和較大集料間的界面上產(chǎn)生月牙形的微裂縫，稱為粘結(jié)裂縫。

10、接著荷載或其它物理化學(xué)作用下，這些微裂縫在集料和水泥石接觸面上傳播和發(fā)展。因而可以認為混凝土構(gòu)件和任何裂縫都是微裂發(fā)展的結(jié)果。但是，裂縫進一步發(fā)展的因素很多，它與材料和性質(zhì)有關(guān)，與施工方面有關(guān)，與使用和環(huán)境條件有關(guān)，與設(shè)計因素有關(guān)，還有其它方面的原因。裂縫生成的背景不同，防止產(chǎn)生裂縫的措施也不一樣。產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾方面: 1、材料性質(zhì)有關(guān)的因素(1)水泥反常凝結(jié)。如水泥或集料中含過量的有害物質(zhì)如游離的SO。等，會引起隨時間而增長的混凝土酥裂；(2)混凝土下沉離析，水泥浮漿，水泥干縮產(chǎn)生裂縫；(3)水泥的水化熱。特別對于大尺寸構(gòu)件(如邊長大于80cm的構(gòu)件)由于水泥水化熱作用，使混凝土

11、內(nèi)部和構(gòu)件表面溫差過大；(4)水泥的反常膨脹。如集料中含Si02，水泥中含堿量他即Na20含量)過高，會引起隨時間而增長的混凝土脹裂；(5)骨料中含泥。集料中含泥過量，會隨著混凝土的干燥而產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫，并使混凝土建立的強度降低；(6)使用反應(yīng)性的骨料或風化的巖石。如集料中含石灰石，在含石灰石所在處會引起混凝土爆裂；(7)混凝土的干燥收縮等。防止產(chǎn)生裂縫的主要措施應(yīng)在施工時嚴格按標準或規(guī)范選用材料，要求選用恰當?shù)呐浜媳龋捎谜_的施工方法。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁中特別要注意水泥的水化熱和混凝土的干燥收縮，這是常見產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫的主要因素。 2、施工方面有關(guān)的因素(1)材料攪拌不均、分離

12、；(2)攪拌時間太長，容易產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫；(3)采用泵輸送增大水泥量和用水量；(4)澆筑順序錯誤；(5)澆筑速度過快，容易在澆筑12小時后發(fā)生構(gòu)件交接部位的縱向裂縫；(6)搗固不充分，混凝土振搗不密實；(7)鋼筋紊亂、保護層厚度不足、亂踩已綁扎的上層鋼筋；(8)接縫處理不當，接縫強度折減；(9)模板變形(模板剛度不夠或模板受潮膨脹上拱)；(10)漏漿、漏水；(11)腳手架下沉或局部失穩(wěn)；(13)結(jié)硬前振動或承受荷載；(14)養(yǎng)護初期快速干燥；(15)初期凍害，往往使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋和混凝土剝落等。 施工因素產(chǎn)生裂縫與施工方法有關(guān)，在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁中，特別要注意支架段施工、合龍段施工

13、和體系轉(zhuǎn)換過程中的施工，混凝土灌筑之后的養(yǎng)護也十分重要的。 3、與使用和環(huán)境條件有關(guān)的因素(1)環(huán)境溫度、濕度的變化；(2)構(gòu)件兩面的溫度、濕度差；(3)內(nèi)部鋼筋生銹；(4)酸鹽等的化學(xué)作用；(5)結(jié)凍等。 對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主要是溫度產(chǎn)生裂縫，尤其是日照的影響，是不能忽視的產(chǎn)生裂縫的主要因素。 4、與設(shè)計有關(guān)的因素(1)結(jié)構(gòu)或構(gòu)造不合理(2)截面配筋不合理；(3)結(jié)構(gòu)不均勻下沉；(4)超載影響；(5)偶然荷載影響等。 對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，結(jié)構(gòu)或構(gòu)造不合理是產(chǎn)生裂縫的主要因素，往往是局部應(yīng)力和構(gòu)造細節(jié)設(shè)計不注意。配筋不合理也是一個重要因素，特別是非預(yù)應(yīng)力配筋不足是影響裂縫寬度的主

14、要因素。2 箱梁開裂影響因素2.1 收縮徐變 混凝土的收縮和徐變是粘彈性體的兩種與時間有關(guān)的變形性質(zhì)。徐變是依賴于荷載且與時間相關(guān)的一種非線性彈性性質(zhì)的變形，混凝土徐變過程是混凝土在長期荷載作用下，水泥凝膠體中的游離水從毛細管內(nèi)被擠出并蒸發(fā)，引起水泥膠體體積縮小而形成變形。徐變由兩部分造成:不可恢復(fù)的變形(流變變形)和可恢復(fù)的變形(彈性滯后變形)。其變形特點是，初期增長很快，后期逐漸減緩，一般在5-15年其增長逐漸達到一個極限值。收縮是混凝土內(nèi)水泥膠體中游離水的自然蒸發(fā)使混凝上縮小的一種物理學(xué)現(xiàn)象，此種變形性質(zhì)與荷載無關(guān)，只與時間有關(guān)，一般存在于混凝土生命周期的全過程。 影響預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐

15、變的因素比較復(fù)雜，有混凝土組成材料非均勻性質(zhì)的影響、環(huán)境因素的影響、加載齡期與持荷時間的影響等。精確計算混凝土收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響非常困難，在考慮影響因素時，只能選擇主要因素并盡量減少它們之間的相互影響?；炷潦湛s徐變作為非線性問題，其分析方法往往根據(jù)結(jié)構(gòu)實際應(yīng)力狀況與試驗結(jié)果的比較，并經(jīng)各種假定將其轉(zhuǎn)換為線性問題進行計算。2.2 溫度影響效應(yīng) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁受自然界氣溫變化和日照輻射的作用使結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形。由于混凝土結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)性能差，當橋梁的表面溫度迅速上升(降低)時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度仍處于原來的狀態(tài)，由此在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生較大的溫度梯度，使橋梁各部位處于不同的溫度狀態(tài)，并產(chǎn)生不同的溫度變形。

16、當變形受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束(一般稱之為內(nèi)約束)和外部約束(一般指結(jié)構(gòu)體系的約束)時，箱梁內(nèi)部將產(chǎn)生相當大的約束內(nèi)力，此約束內(nèi)力有時甚至比荷載產(chǎn)生的應(yīng)力還要大，特別是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，箱室內(nèi)外的溫度差異受箱室結(jié)構(gòu)布置的影響較大，其溫度變形和溫度應(yīng)力受溫度荷載的影響更大。 溫度荷載對箱梁溫度應(yīng)力的影響表現(xiàn)在兩個方面，一是由于季節(jié)溫度變化引起的均勻升溫降溫效應(yīng)，二是溫度梯度效應(yīng)。 由于箱梁溫度分布復(fù)雜多變，如果分析其每時刻的溫度分布對結(jié)構(gòu)的影響是不可能的。針對工程實際，只能在復(fù)雜的溫度分布中選取具有代表性的且對橋梁結(jié)構(gòu)某一特定的溫度分布，確定溫度荷載。2.3 基礎(chǔ)變位影響 由于基礎(chǔ)發(fā)生豎向不均勻沉降，

17、使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，當超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力時，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有:地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準;地基地質(zhì)差異太大;結(jié)構(gòu)荷載差異太大;結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別太大;土地的凍脹;橋梁基礎(chǔ)基于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，也可能造成基礎(chǔ)的不均勻沉降。2.4 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)預(yù)應(yīng)力的使用，一方面大大改善了混凝土橋梁的受力狀況以及增強了其跨越能力;另一方面也使混凝土橋梁的受力狀況更加復(fù)雜以及空間效應(yīng)明顯增加。由于目前我國的橋梁設(shè)計仍主要依據(jù)平面分析結(jié)果，而平面分析中僅較粗略地采用等效荷載來模擬預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)，這種方法無法計算多向預(yù)應(yīng)力的綜合效應(yīng)，也無法合理評價橫向、縱向以及豎向

18、預(yù)應(yīng)力筋等的布置方案，因而經(jīng)常會導(dǎo)致一些工程問題的出現(xiàn)，如橋梁上出現(xiàn)縱向裂縫等。3 避免或減少開裂和下?lián)系募夹g(shù)措施3.1 設(shè)計和施工中應(yīng)注意的幾個主要問題(l)消除溫度影響措施消除溫度影響的辦法可以有:一是降低水泥用量,以減少水化熱溫升量;二是做好養(yǎng)護過程中的保溫工作,特別是冬季施工時的保溫"嚴密的覆蓋措施是必不可少的"在冬季還有另一種情況值得注意,那就是大風降溫的當天如有新拆模的混凝土結(jié)構(gòu),其開裂的幾率很大"原因是施工人員慣常是在混凝土澆注后23d拆模,此時正是混凝土水化熱導(dǎo)致溫度上升的高峰時期,裸露的混凝土表面遭遇急劇的降溫,且表面的水分在大風中加速揮發(fā),造成

19、干縮效應(yīng),更加劇了收縮"預(yù)防的對策是密切注意天氣預(yù)報,如有大風降溫天氣,推遲拆模.并對混凝土表面嚴加覆蓋。(2)嚴格控制水灰比工程中較普遍的是局部水灰比過大引起的局部收縮裂縫,多出現(xiàn)在每次澆注的混凝土頂面,如橋面鋪裝層或整體化層、梁和柱的頂部,這是混凝土振搗后浮漿集中區(qū)域。由于水灰比過大的情況一般只是局部出現(xiàn)且與養(yǎng)生有關(guān),因而裂縫形態(tài)一般較淺較短,無明顯規(guī)律"提高混凝土振搗質(zhì)量和防止施工水灰比失控是預(yù)防此類裂縫的主要措施。有研究表明,對于質(zhì)量均勻的混凝土來說,塑性收縮的量并不完全隨水灰比的增加而自加大"混凝土塑性收縮面積最大值(峰值)對應(yīng)的水灰比為0.5。在實際施

20、工中.正常的混凝土配合比的水灰比是小于0.5的。為了減少收縮量,水灰比可以控制在0.350.45之間,并采取摻減水劑等措施盡量將其值降低。(3)水泥用量的控制較有規(guī)律的收縮裂縫往往更多的是由于水泥用量偏大引起的。這種收縮是整體的,因此經(jīng)常造成有規(guī)律的長裂縫。水泥用量偏大會引起兩種不利后果一是混凝土在強度增長過程中的總收縮量增加；二是導(dǎo)致混凝土水化熱增加,混凝土的溫度會因此出現(xiàn)大的增幅后又有大的降幅。兩種作用疊加后產(chǎn)生的收縮應(yīng)變是很可觀的,如果這種變形受到約束,收縮應(yīng)力就產(chǎn)生了。近年來,大跨徑混凝土橋的混凝土標號有日益提高的趨勢,如箱梁混凝土標號達到C55、C60,橋面鋪裝和調(diào)平層達到C50等。

21、很多情況下,提高混凝土設(shè)計標號只是設(shè)計人員出于加大富余量的考慮。提高設(shè)計強度以后,按照有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,施工單位的生產(chǎn)配合比必須有更多的強度富余量才能滿足質(zhì)量驗收標準。鑒于國內(nèi)混凝土用碎石的質(zhì)量不高,級配不穩(wěn)定,要獲得高標號混凝土,施工單位自然會采用高標號水泥并加大用量,而水泥標號越高,用量越大,會導(dǎo)致水化熱和收縮率的增大。這一點常被設(shè)計者忽視。橋梁施工規(guī)范規(guī)定混凝土中水泥用量不超過500kg/m3。但是從大量橋梁的施工實踐總結(jié)來看,這個指標定得有些偏高"根據(jù)測算和施工中經(jīng)驗的總結(jié),水泥用量在不超過490kg/m3的時候防裂效果是非常好的。施工時應(yīng)盡可能降低水泥用量。此外,可以在混凝土

22、中添加一些粗骨料,以減少水泥用量。比如在某工程中添加了按照瀝青混凝土骨料的標準加工的碎石,將水泥用量降至440kg/m3,既確保了混凝土強度又成功地控制了收縮裂縫,取得了良好的使用效果。(4)改善約束條件預(yù)防收縮裂縫如果混凝土構(gòu)件無約束,那么無論是干縮還是溫差變形都不會導(dǎo)致裂縫"改善約束條件是消除收縮裂縫的又一重要途徑。比較典型的例子是薄壁墩底部的豎向裂縫"如某高速公路的大橋主墩底部的豎向裂縫,其產(chǎn)生的原因是承臺混凝土與墩身混凝土澆注時間間隔過長,37號墩承臺與第一節(jié)墩身的齡期差達38d。按照文獻1提供的數(shù)據(jù),此時承臺混凝土己完成45%的收縮量,收縮速率呈下降趨勢,而新澆的

23、墩身混凝土第一周的收縮量可完成20%,收縮速率是此時承臺的數(shù)倍,剛度大的承臺約束了墩身的收縮,從而產(chǎn)生裂縫"因此建議墩身混凝土與承臺混凝土的澆注時間差不超過14d,應(yīng)盡量減少兩次混凝土澆注的時間差"同樣在這座大橋中,其34號墩第一節(jié)墩身與承臺混凝土齡期差20d,并在墩身底部增設(shè)了抗裂鋼筋網(wǎng),也僅僅使裂縫的程度有所減弱,不能消除"可見根本的預(yù)防方法還是縮短兩次混凝土澆注的時間差和降低水泥用量"從蘇通大橋和其他橋梁的經(jīng)驗來看,把墩身與承臺混凝土齡期差控制在57d是可以辦得到的"這項措施同樣適用于箱梁分次澆注的情況"縮短施工間隔時間是改善約

24、束的一種方法。某公路橋在薄壁墩施工時采取了將底部第一節(jié)墩身和承臺混凝土一次澆注完成的施工方法,這樣第一節(jié)墩身根部不產(chǎn)生收縮裂縫,而第二節(jié)墩身和第一節(jié)墩身之間由于剛度差異小,對混凝土收縮的約束大大降低,也就降低了裂縫產(chǎn)生的幾率"這是改善約束條件的另一種方法。改善約束條件的第三種方法是減少約束面。如果連續(xù)箱梁一聯(lián)幾跨一次澆注,其長度超過l00m,箱梁在縱橋向收縮可能導(dǎo)致橫橋裂縫的產(chǎn)生。這是因為箱梁縱向的長度大,收縮總量就大,如果受到約束就會有開裂的可能。對收縮的約束主要來自模板、橋墩。如果箱梁是分層澆注,則下層已澆注成型的混凝土對上層新澆混凝土的收縮也產(chǎn)生約束。在這樣情況下,將箱梁縱向分

25、段,每段之間設(shè)后澆濕接縫,這樣減少了每段混凝土收縮的總量,也減少了約束面。理論分析和施工經(jīng)驗表明,每段混凝土長度控制在50m以內(nèi)就可有效防止類裂縫。廣珠西線高速公路石洲互通主線橋箱梁第一次整聯(lián)澆注,頂板出現(xiàn)了橫向裂縫；后續(xù)各聯(lián)分段施工,在梁上部增設(shè)了濕接縫,避免了此類裂縫的產(chǎn)生。3.2 消除預(yù)應(yīng)力的不利影響(1)豎向預(yù)應(yīng)力的問題豎向預(yù)應(yīng)力是克服箱梁腹板主拉應(yīng)力的重要手段。但各地的施工實踐反映豎了21氏(向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉錨固工藝存在很大缺陷,錨墊板與預(yù)應(yīng)力鋼筋不垂直、錨固螺母擰緊的力度因無標準而隨意性很大。錨固后造成較大的變形,引起預(yù)應(yīng)力損失。而箱梁豎向預(yù)應(yīng)力筋都較短,張拉伸長量小,23幻陰以

26、的變形占伸長量的比例較大,因而造成很大的豎向預(yù)應(yīng)力損失。在我們實測的教據(jù)中,最大的預(yù)應(yīng)力損失超過50%。一方面是豎向預(yù)應(yīng)力損失大,另一方面在設(shè)計上往往采用偏緊的腹板斷面。應(yīng)力控制沒有富余量,從而造成混凝土箱梁出現(xiàn)大量腹板斜裂縫的現(xiàn)象。在設(shè)計階段,推薦在不計豎向預(yù)應(yīng)力時,腹板主拉應(yīng)力應(yīng)滿足規(guī)范容許值。在施工方面階段,推行二次張拉工藝,即第一次張拉到設(shè)計拉力并錨固,7d后再進行第二次張拉。此外,還嘗試用扭力扳手確定螺母的擰緊力。據(jù)測試,如果管理得當,這項措施可以使預(yù)應(yīng)力損失不超過10%。(2)縱向預(yù)應(yīng)力引起的問題通過對存在裂縫的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的分析總結(jié),可以知道,跨徑越大,箱梁跨中截面的應(yīng)

27、力對徐變、溫度、施工(恒載)誤差等因素的敏感性越強。將普通跨徑梁的應(yīng)力控制標準用到大跨徑箱梁上,難免出現(xiàn)跨中下?lián)线^大、跨中開裂的問題。解決的辦法是根據(jù)跨徑的大小采用不同的跨中底板壓應(yīng)力儲備值,同時優(yōu)化預(yù)應(yīng)力束的布置。對跨中截面進行應(yīng)力控制時,應(yīng)對上述影響因索進行敏感性分析,考慮荷載作用的偏差,也要考慮到不同計算軟件間的差異。通過對幾座不同跨徑實橋的分析,初步提出了跨中底板拉應(yīng)力儲備指標,如跨徑100m左右宜控制在1一2MPa,200m以上的跨徑宜控制在45MPa等。(3)橫向預(yù)應(yīng)力束張拉引起的裂縫問題在進行橫向預(yù)應(yīng)力束張拉時,箱梁懸臂板相應(yīng)部分有向上的變形,如果這種變形過大,會在張拉點附近產(chǎn)生

28、橫橋向裂縫。對此采取的預(yù)防措施是至少滯后兩個節(jié)段張拉橫向預(yù)應(yīng)力束"這樣做有兩個好處：一是此時混凝土已接近28d齡期強度,抗裂能力比齡期不足者強；二是由于連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋在懸臂施工階段,當前塊的縱向預(yù)應(yīng)力在張拉后要從錨固點向后方以一定角度擴散才能覆蓋全斷面,滯后兩節(jié)段張拉橫向預(yù)應(yīng)力束,可以借助縱向預(yù)應(yīng)力來加強抗裂能力。橋梁的運營階段,在大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋這樣的超靜定結(jié)構(gòu)體系中,溫度應(yīng)力是產(chǎn)生裂縫的一個重要原因"在原橋規(guī)(JTJ023一85)中只對T梁規(guī)定了日照溫度梯度模式(橋面板溫度變化5e)及相應(yīng)溫度應(yīng)力計算,而對箱梁未作規(guī)定"實際上,許多研究和實測表明,對預(yù)應(yīng)

29、力混凝土連續(xù)箱梁接橋面板上升5e計算溫度應(yīng)力是偏于不安全的,容易引起較大的跨中底板拉應(yīng)力或主拉應(yīng)力。在新版規(guī)范頒布前,部分有經(jīng)驗的設(shè)計人員參照英國規(guī)范BS5400中相應(yīng)的規(guī)定進行設(shè)計"我們在設(shè)計控制要點中對設(shè)計單位也提出了這樣的要求。(4)沿縱向預(yù)應(yīng)力管道裂縫的處理預(yù)防措施是合理布置預(yù)應(yīng)力束,如底板束盡量靠近腹板或改善截面,讓管道兩惻在一定的施工誤差的情況下仍有足夠的混凝土層"從統(tǒng)計情況來看,板的厚度在波紋管直徑3倍以上時,一般不會出現(xiàn)這種劈裂縫"至于徑向力崩裂,只要在混凝土板內(nèi)的上下層鋼筋之間設(shè)置足夠的抗拉錨筋,就可以避免。(5)保護層不足引起裂縫的處理在施工現(xiàn)

30、場,我們發(fā)現(xiàn)混凝土中鋼筋的保護層不足的現(xiàn)象較普遍。如果保護層嚴重不足或水灰比過大,施工階段就會產(chǎn)生裂縫。也有可能隨著混凝土的緩慢收縮,竣工后數(shù)年才出現(xiàn)裂縫。這種裂縫如果暴露在雨水中或鄰近海邊。往往伴隨著鋼筋銹蝕而加速混凝土保護層的崩裂。在工程實踐中有過處理兩種較典型的此類裂縫的實例。一種裂縫是在箱梁的頂面沿著表層鋼筋的位置分布,和鋼筋的位置完全一致。這是由于頂層鋼筋較粗且保護層薄,混凝土收縮時在鋼筋頂部產(chǎn)生集中應(yīng)力造成,采取的預(yù)防措施是加強養(yǎng)生、嚴格控制混凝土的水灰比、使用細而密的表層鋼筋。并增加頂面保護層厚度"現(xiàn)場觀察表明,水灰比控制較好且保護層充分的構(gòu)件較少出現(xiàn)沿鋼筋的收縮裂縫。

31、此外,適當增加箱梁頂面鋼筋保護層厚度還有利于表面混凝土的抹面整平,以達到合格的平整度。另一種裂縫是在結(jié)構(gòu)的原保護層內(nèi)增加防裂鋼筋網(wǎng)造成的,裂縫的分布與防裂網(wǎng)的鋼筋位置一致。增加防裂網(wǎng)本來是要防止裂縫的,由于鋼筋網(wǎng)僅僅是簡單地放在保護層中,鋼筋同本身的保護層很薄,往往僅是一層薄的砂漿,又缺少粗粒料,出現(xiàn)裂縫是在所難免的"因此,若要在結(jié)構(gòu)中放置防裂網(wǎng),必須在設(shè)計階段就要確定,并且保證防裂網(wǎng)有3cm以上的保護層。那些在竣工通車后數(shù)年才出現(xiàn)的收縮裂縫多數(shù)是局部的,與鋼筋位置對應(yīng),然后很快就出現(xiàn)銹跡和混凝土的崩裂"這些病害提醒我們,施工階段必須仔細檢查每個細部的鋼筋保護層,確保符合規(guī)

32、范要求。3.3 其它措施由于齡期差引起的棍凝土先澆段與后澆段收縮不一致產(chǎn)生的橫向應(yīng)力無法根本解決,而懸臂施工工藝必然會導(dǎo)致這種齡期差出現(xiàn),因此只能通過采取其他措施,降低混凝土的收縮值。例如,選用級配好、彈性模量高、粒徑大的骨料,降低水泥用量和水灰比來降低混凝土的收縮量。另外也可以在箱梁頂板底部設(shè)一層細鋼絲網(wǎng),抑制裂縫的出現(xiàn)。合理設(shè)計箱梁的橫斷面,適當增加頂板厚度,彌補因縱向預(yù)應(yīng)力孔道造成有效面積的削弱。橫向預(yù)應(yīng)力束的布置盡可能根據(jù)受力情況采用曲線配置。為了避免橫向預(yù)應(yīng)力分布不均勻,可適當減小每束預(yù)應(yīng)力束的束數(shù)。同時減小縱向間距。大噸位縱向預(yù)應(yīng)力因泊松比引起的橫向變形,一可以通過與縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋

33、伺步或提前張拉橫向預(yù)應(yīng)力束來克服。對于施工不當或養(yǎng)護不及時等原因造成的混凝土裂縫,可以通過加強施工管理來控制。3.4 加強施工監(jiān)控和泊橋的健康檢測為了保證橋梁施工質(zhì)量和施工安全,橋梁施工監(jiān)控成為大跨度橋梁施工過程中必不可少的組成部分。就是對對橋梁施工全過程進行監(jiān)控,確保在施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形始終處于允許的安全范圍內(nèi),并保證成橋后狀態(tài)(包括線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力)符合設(shè)計要求。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段多、工期長,其縱向高程受多種因素影響,容易出現(xiàn)較高的懸臂標高誤差,甚至出現(xiàn)兩相對懸臂端標高相對誤差太大,造成合攏困難的情況,因此要更加注重施工監(jiān)控的作用。為保證舊橋的安全運營,掌握舊橋的

34、承載能力和耐久性,對橋梁進行健康檢測和評估是必不可少的。橋梁健康監(jiān)測可以及時的獲得舊橋的狀態(tài)信息,給出橋梁的健康狀況或損傷狀況,為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。4 結(jié)論 針對目前在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋中普遍出現(xiàn)的裂縫問題，本文的研究主要得到以下結(jié)論: 首先，通過對大量文獻資料的調(diào)研，本文提出分析大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋的抗裂性能的關(guān)鍵在于分析箱梁的空間應(yīng)力狀態(tài)的觀點，在設(shè)計及復(fù)核計算中，除了用平面桿系計算軟件進行整體的設(shè)計計算與方案的擬定外，必須對局部結(jié)構(gòu)進行空間應(yīng)力狀態(tài)計算，從而避免出現(xiàn)局部的應(yīng)力超限導(dǎo)致出現(xiàn)開裂。 其次，通過采用大型通用有限元軟件ANSYS建立實體模型對實

35、際工程進行空間整體抗裂性分析。與平面桿系計算軟件計算結(jié)果的比對，顯示了平面桿系計算軟件在結(jié)構(gòu)局部分析方面存在的不足，即其無法確定箱梁的橫向內(nèi)力和豎向內(nèi)力，計算得出的應(yīng)力均為橫截面上的平均應(yīng)力，計算結(jié)果無法反映應(yīng)力沿箱梁截面各部位的不均勻分布，不能給出箱梁開裂部位局部應(yīng)力的詳細解答，從而無法正確判斷箱梁裂縫的開裂部位。通過分析永久荷載(恒載、預(yù)應(yīng)力)+各單項因素(收縮徐變、溫度影響力、變位影響力及活載)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，可以得出對結(jié)構(gòu)抗裂性影響較大的因素為預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、其次為局部溫差的結(jié)論。而且，在計算的過程中發(fā)現(xiàn)，局部溫差計算模式的正確選取非常重要。對計算結(jié)果有較大的影響，因此在設(shè)計計算中要充分

36、考慮這兩個因素的影響。 最后，由于在整體空間抗裂性分析中發(fā)現(xiàn)中跨跨中底板的主拉應(yīng)力值超限，抗裂性能不能滿足要求。這一計算結(jié)果與實際工程出現(xiàn)裂縫的情況一致。對中跨跨中合龍段底板進行了局部的抗裂性分析后，發(fā)現(xiàn)底板縱向預(yù)應(yīng)力配置不合理是使得底板第一主應(yīng)力過大的主要因素，頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋的配置對底板第一主應(yīng)力值也存在一定的影響，但是影響值很小。同時，通過分析比較底板縱向預(yù)應(yīng)力筋及頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋不同配束方案下的底板的應(yīng)力變化，提出了優(yōu)化底板受力的建議方案。從設(shè)計角度來講，一旦在局部結(jié)構(gòu)分析中出現(xiàn)了底板局部應(yīng)力過大的現(xiàn)象，還需要從以下幾個方面來考慮采取措施改善結(jié)構(gòu)的受力性能:(1)保證底板線形合理:底板一般為拋物線形，如果線形過陡，也會造成局部應(yīng)力過大;(2)保證合龍段底板縱向預(yù)應(yīng)力筋布置合理:預(yù)應(yīng)力筋布置盡量靠近腹板一側(cè)，底板波紋管之間的間距應(yīng)合