PC连续刚构桥运营阶段箱梁开裂机理及预防措施

第26卷 第6期 重 庆 交 通 大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) 2007年 12月 JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSI．I’Y(NA，rURAL SCIENCE VolI 26 No，6 Dec．．20o7 PC连续刚构桥运营阶段箱梁开裂机理及预防措施 陈宇峰，罗 玲，王维红，王运涛，徐君兰 (重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074) 摘要：从温度应力、车辆荷载、砼容许主拉应力、砼疲劳、预应力损失等方面，对 Pc连续刚构桥在运营阶段出现的腹 板斜裂缝进行了具体分析，结论是：容许主拉应力偏大、温度梯度选择不当、温度荷载及车辆荷载共同作用下的砼疲 劳效应是箱梁腹板斜裂缝产生的主要原因；提出了预防开裂的措施：设计时选择适当的温度梯度 ；用防锈涂料对钢 绞线进行防锈处理以防止因孔洞渗水对钢绞线产生的锈蚀；在各跨箱梁腹板的 1／4L～3／4L之间的砼用钢纤维砼浇筑． 关 键 词：腹板斜裂缝 ；主拉应力；温度梯度；疲劳；钢纤维砼 中图分类号：U448．213 文献标识码：A 文章编号：1674-0696(2007)06-0043—03 M echanism and Precautionary M easures for Cracking of Pre-Stressed Concrete Continuous Box Girder of Continuous and Rigid Frame Bridges in Service Phase CHEN Yu—feng，LUO Ling，WANG Wei—hong，WANG Yun—tao，XU Jun—Lan (School of Civil Engineering＆Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China) Abstract：Based on the cracking investigation，some inclined cracks in webs apprearing in the continuous prestressed con— crete box girder bridge in service phase are analyzed．Main factors inducing cracks are considered．such as temperature gra- client，vehicular load，principal tensile stress of concrete，fatigue under temperature load and vehicular load．Proper tempe r- ature gradient should be selected in design phase to avoid crack．Some anti-rust coatings Can be daubed on the surface of the steel strands to protect them from corrosion by cavity seepage．Webs of box girder from one quarter to three quarters of each span may be poured with steel fiber reinfomed concrete to avoid fatigue effect． Key words：inclined crack in webs；principal tensile stress；temperature gradient；fatigue；steel fiber reinfomed concrete 近年来许多大跨PC连续刚构桥相继出现了可 能会影响结构正常使用或结构耐久性的箱梁腹板斜 裂缝．箱梁腹板斜裂缝出现在各跨的 1／4L一7／16L 和9／16L一3／4L之间，并且方向为由跨中向支点方 向下倾，角度为2O。一6O。之间．并且发现一旦有斜裂 缝出现的梁段 ，就有许多条，走向大致相同．裂缝在 结构上呈现一定的对称性 ，现场情况表明，主桥箱梁 腹板的斜向裂缝基本上属于主拉应力裂缝．但从验 算结果 看，桥梁 处于设 计理 想状 态，根据 规 范 (JrIIJ023—85)验算在最不利荷载组合效应下箱梁桥 控制截面处的砼主拉应力值，虽然与规范规定的控 制值较接近，但与砼的开裂强度还有一定的差距．因 此从理论上讲，箱梁桥腹板应该不会出现裂缝．箱梁 桥结构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安，影响其在公路工程 建设中的进一步的推广和应用，因此探索出 PC连 续刚构桥箱梁腹板在运营阶段的开裂机理是目前的 当务之急． 1 运营阶段影响箱梁开裂成因分析 由于受力裂缝出现在成桥和运营阶段，成桥竣 工时动 、静载检测实验表明，成桥时结构状态和设计 时的状态吻合较好．这说明运营阶段的受力裂缝和 运营阶段出现的荷载有关 ，运营阶段出现的荷载：温 度作用(均匀和梯度温度的作用)、风荷载、车辆荷 载 、钢绞线的锈蚀 、砼的徐变作用和地震作用．为了 考察桥梁之间的共性，可以忽略地震作用、风荷载作 用；同时施工质量和养护措施具有较大的差异性 ，而 收稿日期 ：2006·09-15 作者简介：陈宇峰(1977．)，男，江苏徐州丰县人，硕土生。从事桥梁结构理论研究．e．mail：zhxiafang@yahoo．com．cn． 维普资讯 http://www.cqvip.com 重 庆 交 通 大 学 学报 (自然 科 学 版) 第26卷 大跨连续刚构桥运营阶段箱梁腹板出现受力裂缝具 有普遍性及规律性，因此研究运营阶段箱梁腹板开 裂时也可以忽略施工和养护的因素．因此运营阶段 影响箱梁开裂主要荷载因素可能是温度荷载、车辆 荷载、钢绞线的锈蚀、砼的徐变作用． 2 箱梁腹板斜裂缝产生的机理 2．1 箱梁腹板主拉应力理论分析 根据材料力学主拉应力的计算公式： l=[( + )／2]一~／[( 一 )／2] + (1) 主拉应力与水平方向的夹角 为： =1／2·arctan[一2 ( 一 )] (2) 式中， 为由纵向预应力和使用荷载产生的砼正应 力； 为由竖向预应力产生的砼竖向压应力． 令 1=0，可推导出 = ． 当 > 时，腹板只出现主压应力，而无主拉应力； 当 = 时，主拉应力为0； 当 < 时，有主拉应力，但其值的大小可 通过 乘积来控制． 在正常使用极限状态下，箱梁截面上任一点的 正应力 、剪应力 应为由恒载、活载分别作用下产 生的正应力、剪应力之和． 2．2 砼主拉应力容许值 PC连续刚构桥箱梁腹板斜裂缝和两个方面有 关，一个就是腹板砼主拉应力容许值；一个就是荷载 作用下腹板产生的主拉应力大小． 表 1 使用状态下容许主拉应力的比较／MPa 从表 l可以看出，公路规范 JTJO23—85对主拉 应力的取值偏于不安全，对砼容许主拉应力限制的 不严格可能是已建预应力箱梁腹板开裂的一个主要 原因．公路新规范JTJD62--2004对主拉应力做出了 严格的限制： ≤O．4A，新规范的应用和执行对抑 制腹板斜裂缝的开裂会产生积极的作用． 2．3 某桥腹板主拉应力分析 目前的桥梁计算软件对箱梁腹板的主拉应力计 算不够充分，平面计算软件仅计算出截面的几个点 的应力，很难对腹板的各个点的受力状况做出判断． 在仅考虑恒载(包括二期恒载)的情况下，用 ANSYS 建模对某桥的箱梁腹板主拉应力进行计算分析．某 桥主桥为 130 m+230 m+l30 m的三跨预应力连续 刚构，设计荷载为汽一超2O级，挂一120级． 图 1 某桥主桥总体布置／cm 某桥主桥空间仿真模型共分 378 585个节点， 336 705个砼单元，32 346个钢束(筋)单元，相关数 据详见表2． 在仅考虑恒载(包括二期恒载)的情况下，计算 表 2 模型有限元信息 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 陈宇峰等：PC连续刚构桥运营阶段箱梁开裂机理及预防措施 45 结果表明：主拉应力大多出现在腹板厚度变化处，尤 其是在悬臂根部处的腹板上，该处的拉应力几乎遍 布腹板全高，且沿纵向在腹板上下缘处稍有扩散 。计 算表明在恒载作用下中跨箱梁腹板一些节点的空间 主拉应力达到 1．53 MPa，个别节点达到 1．89 MPa； 根据计算结果可以看出在不考虑活荷载的情况下， 腹板个别部位的砼的主拉应力已经超出了新规范对 主拉应力的限值 1．14 MPa． 2．4 荷载产生的主拉应力 恒载一般是不随时间改变的，因此对腹板产生 的主拉应力也不随时间有大的改变；因此活载是运 营阶段影响箱梁开裂因素．运营阶段影响箱梁开裂 主要活载是温度荷载、车辆荷载、钢绞线的锈蚀、砼 的徐变作用．在几种活载因素中，温度荷载最难确 定．设计阶段由于温度梯度选择不当使计算出的温度 应力不能反映实际应力的大小．文献[2]用ANSYS对 T梁连续刚构(跨径 35 m，桥面宽 12 m，梁高为2．25 m，墩高取平均40 m)分析了在不同温度梯度下T梁 截面不同高度下的温度应力大小． 表3 新西兰、公路85规范温度梯度下T梁截面不同高度下的温度应力／MPa 注：带’的数字是按公路 85规范计算出的应力值． 从表 3的计算结果可以看出，温度应力很大，在 腹板会产生较大拉应力，不同的温度梯度模式计算 出的应力不同，甚至符号相反．温度应力为拉应力相 当于减小纵向预应力，从主拉应力公式(1)看出，纵 向预应力减小会使主拉应力增大，温度应力和主拉 应力密切相关．设计时温度梯度模式选择和实际环 境不符也是箱梁腹板产生斜裂缝的一个因素． 2．5 车辆和温度荷载作用下的疲劳效应 根据对某桥计算分析及表 3可以看出，在荷载 作用下，箱梁腹板部分的砼处于拉．压状态．随着砼 徐变的发生，有徐变造成的预应力的损失加大，使得 腹板处最小应力水平变大，疲劳损伤加剧．根据文献 [3]：砼处于轴心拉-压状态比处于轴拉状态疲劳强 度显著降低，车辆和温度荷载作用下的疲劳效应通 过降低砼强度使得箱梁腹板出现斜裂缝。因此可以 通过严格控制砼在使用状态下容许主拉应力设计值 来预防开裂． 3 箱梁腹板斜裂缝措预防施 根据箱梁腹板斜裂缝产生的机理可以从 3个方 面来预防箱梁腹板斜裂缝的产生：通过对钢绞线防 锈处理来减小钢绞线预应力的损失；降低砼的疲劳 损伤；设计时选择适当的温度梯度模式，使腹板主拉 应力小于砼的容许主拉应力设计值． 3．1 防止钢铰线锈蚀措施 从已加固的一些连续刚构桥中发现，孔道的压 浆不够饱满。存在着一些空洞．为了探明预留管道灌 浆不密实形成的空洞对预应力砼梁影响开裂荷载的 影响，寻求防锈措施，重庆交通大学结构实验室从 2006年6月4 13— 2006年 6月 12 13，一共完成 6 片梁的实验．实验结构表明：在预应力砼梁开裂前， 忽略钢绞线与灌浆砂浆之间的黏结力会降低后张全 预应力砼粱开裂荷载 4．94％．根据实验结果，由于 黏结力对开裂荷载影响不大，可以在钢铰线表面涂 抹防锈的材料来防止锈蚀． 3．2 减小车辆和温度荷载作用下的疲劳效应措施 为了减小车辆和温度荷载作用下的疲劳效应， 可以采取2个措施：①选用砼标号时可以适当比计 算出的砼标号大一级；②就是在各跨箱梁 1／4L～3／ 4L之间腹板用钢纤维砼浇筑．钢纤维阻止开裂的机 理如下，砼中的钢纤维在应力作用下，能消耗掉部分 能量，从而延缓了裂纹的发生和发展，提高了基体的 韧性和抗冲击力．耗能主要由2部分组成：第 1部分 为钢纤维受力后因伸长变形积蓄的变形能；第2部 分为钢纤维拔出过程中与基体摩擦消耗的能量．由 于钢纤维砼的静压抗折强度比素砼有大幅度提高， 并具有一定的延性 J，钢纤维砼的疲劳性能明显好 于素砼，体现在相同应力水平下寿命增大，在相同寿 (下转第 1 14页) 维普资讯 http://www.cqvip.com l14 重 庆 交通 大 学 学报 (自然科 学 版) 第26卷 采用沥青罩面处理)，方可达到分析期的使用寿命， 因此同纤维沥青路面相比，在分析期 内普通沥青路 面需增加养护费用．若采用 2 ClTI的沥青罩面，则23 m宽的路面每公里将增加罩面费用 3O万元左右．仅 此一项纤维增加的初期费用就可节省出来． 7 结 论 1)从 AC混合料马歇尔稳定度试验和车辙试 验结果可以看出，国产纤维可使混合料的高温性能 得到明显改善，动稳定度提高幅度高达 347％； 昆合 料劈裂强度提高 30％，弹性恢复能力增强，混合料 的低温抗裂性能明显增强． 2)在 SMA中分别加人聚丙烯腈纤维和木质素 纤维，都起到了提高 SMA混合料含油量的目的；但 其路用性能相比，掺加聚丙烯腈纤维要明显优于木 质素纤维，特别是在提高高温稳定性方面． 3)在 OGFC中掺加纤维提高沥青用量达 0．4％，但空隙率和有效空隙率并没有减少，这不会 对排水性沥青混合料的骨架空隙结构产生影响．纤 维的吸油性能好，可以吸住沥青，防止其析漏；增加 沥青薄膜厚度，抗磨耗性能也得到加强． 4)纤维沥青路面施工技术简单，不需添加任何 (上接第45页) 命下承受的载荷提高． 3．3 采用修正的温度梯度模式来计算温度应力 日温差和骤然降温对连续刚构桥梁腹板产生的 应力，非线性温度梯度模式选择是关键，设计人员不 可盲 目的套用规范，要根据当地气候条件对规范计 算结果进行修正，必要时可以选用铁路桥规范及国 外规范对温度梯度的规定作为参考． 4 结 语 根据分析，箱梁腹板在温度荷载及车辆荷载共 同作用下的疲劳表现降低砼的强度，公路规范 Ⅲ O23—85对砼容许主拉应力取值偏大是已建大跨 PC连续刚构箱梁腹板斜裂缝产生的主要原因，设计 时温度梯度选择不当也是箱梁腹板斜裂缝产生的一 个因素．根据箱梁腹板斜裂缝产生的机理采取相应 的预防措施：设计时选择适当的温度梯度模式；可以 额外设备，施工工艺和方法同普通混合料的相差不 大，掌握起来简单可行，特别是国产纤维价格低于进 口纤维，增加建设费用不大，对路面各项路用性能改 善可同时兼顾，具有广阔应用前景． 参考文献： [1] Serfass J 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