预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析

预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析（7篇）

1.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇一

预应力混凝土箱梁桥主梁的可靠性分析

依据国家公路桥梁设计规范建立了极限状态函数,将混凝土强度、计算模式不确定性系数、荷戴横向分布系数以及荷载增长系数作为随机变量,在此基础上,对一五跨预应力混凝土箱梁桥关键截面的可靠性进行了分析研究,从可靠度方面全面性评价了在服役期间结构不同关键截面的`可靠性.

作 者：蒋大良 作者单位：中铁十八局集团有限公司,中国,天津,300222刊 名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(13)分类号：U4关键词：桥梁工程 组合箱梁 可靠度 极限状态方程

2.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇二

现代桥梁的跨径不断增大, 宽度亦不断加宽, 横断面形式也是日趋复杂。横向预应力的使用, 空间缆索等, 使得桥梁结构的受力状态愈来愈复杂, 其空间效应亦越来越明显, 如:剪力滞效应、截面的畸变和翘曲等问题。平面分析的结果已较难反映复杂桥梁的实际受力状况。但现在桥梁设计中仍采用基于平截面假定的平面杆系程序进行分析, 假定纵向应力沿横桥向均匀分布。这种计算方法与实际情况相差较大, 且在已经建成的桥梁中也出现了不少问题, 如混凝土开裂、下挠等。因此平面杆系程序用在大型复杂的桥梁设计中就显得有所欠缺, 有必要对桥梁结构进行三维空间分析, 对纵向应力沿横桥向的分布状况进行研究。

2 有效分布宽度的产因

在初等梁弯曲理论的基本假定中截面变形符合平截面假定, 不考虑剪切变形的影响, 因此, 正应力沿横桥向是均匀分布的。但是, 在箱形梁中, 产生弯曲的横向力通过腹板传递给翼缘板, 而剪应力在翼缘上的分布是不均匀的。在腹板与翼缘板的交接处剪应力最大, 随着离开腹板的距离增大而逐渐减小。因此, 剪切变形沿翼板的分布是不均匀的。这种由于翼缘板的剪切变形造成的弯曲正应力沿梁宽方向不均匀分布的现象称为“剪力滞”现象[1]。本文拟采用在实际工程中应用较为广泛的有效分布宽度来反映箱梁纵向应力沿横桥向的不均匀分布。

箱梁翼缘有效宽度的提出主要是由于在工程设计中, 如果精确的按照剪力滞的理论公式或空间有限元来计算截面上的正应力分布是很不方便的。因此工程上采用了一种偏保守的计算方法, 即翼缘有效宽度法。其计算的基本步骤为:先按梁弯曲初等理论计算截面内力, 对不同位置的截面, 按照规范要求用不同的折减系数进行折减, 然后按折减后的截面尺寸配筋。有效分布宽度的定义为:翼板上的实际正应力沿翼板横向积分与翼板上应力峰值的比值[2]。

其中, b为腹板至翼缘板边的距离;τ为上翼缘板的厚度;σ (x, y) 为翼缘板的正应力函数。

3 我国规范关于有效宽度的规定与计算

交通部颁布的JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[3]4.2.3条对箱形截面梁的翼缘有效宽度作出了规定:箱形截面梁在腹板两侧上、下翼缘的有效宽度bmi, 可按下列规定计算:1) 简支梁和连续梁各跨中部梁段, 悬臂梁中间跨的中部梁段:bmi=ρfbi。2) 简支梁支点, 连续梁边支点及中间支点, 悬臂梁悬臂段:bmi=ρsbi。其中, bmi为腹板两侧上、下各翼缘的有效宽度;bi为腹板两侧上、下各翼缘的实际宽度;ρf为有关简支梁、连续梁各跨中部梁段和悬臂梁中间跨的中部梁段翼缘有效宽度的计算系数;ρs为有关简支梁支点、连续梁边支点和中间支点、悬臂梁悬臂段翼缘有效宽度的计算系数。预应力混凝土梁在计算预加力引起的混凝土应力时, 预加力作为轴向力产生的应力可按实际翼缘全宽计算;由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按翼缘有效宽度计算。

4 工程实例分析

4.1 背景工程

以某矮塔斜拉桥为例, 主桥跨径布置为: (140+260+140) m。主桥为双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥, 双薄壁墩、双柱式索塔, 钻孔群桩基础, 而主梁采用预应力混凝土单箱三室流线型扁平箱梁。斜拉索采用环氧钢绞线斜拉索, 斜拉索在梁端采用混凝土齿块锚固结果, 在塔端采用分丝管索鞍锚固结构, 跨中截面如图1所示。

4.2 跨中节段模型

跨中节段模型利用有限元分析软件ANSYS建立空间实体单元模型, 进行空间结构弹性应力分布计算。混凝土和预应力钢束分别以Solid45单元和Link8单元模拟, 预应力效应使用初应变模拟, 建立的计算模型如图2所示。根据弹性力学中的圣维南原理, 建立较长的有索区段 (11号块~27号块) , 计算结果仅查看中跨1/4处和中跨无索区处的应力状况。按照实际位置布置预应力钢束, 计算中考虑张拉控制应力, 扣除损失后, 将剩余有效预应力施加到模型中。计算模型有限单元划分采用自由划分的方法, 边界条件采用在主梁一端固结约束, 在另一端施加杆系模型内力的方法进行模拟。

计算荷载分别考虑成桥阶段和运营阶段的荷载状况, 并将平面杆系有限元软件计算得到的内力结果施加在左右两侧主梁断面上。荷载组合为:自重+预应力+二期恒载+汽车荷载 (采用使主梁跨中应力最大的布载方式布载) 。

4.3 计算结果分析

根据中跨节段有限元计算模型, 选取与固结端有一定距离的主跨四分点处有索区20号块的应力状况进行分析。由于在有索区主梁边箱室处存在加劲肋影响, 为了明确加劲肋对于纵向正应力横桥向分布的影响, 分别选取2个关键截面进行分析, 如表1所示。

在正常使用状况下, 出于简化计算目的, 仅考虑汽车活载作用下的主梁受力状况。各个截面应力状况如图3, 图4所示, 其中压应力为负, 拉应力为正。

如图3, 图4所示, 在不设置加劲肋的1号截面处, 顶板纵向应力沿横桥向分布较为均匀, 最大纵向正应力与最小正应力相差均仅在0.5 MPa左右, 且直腹板处顶板纵向应力略小于边、中箱室中心处纵向应力, 存在不明显的负剪力滞效应。而在设置有加劲肋的2号截面处, 直腹板处顶板出现2号截面的最大纵向正应力为12.8 MPa, 该截面处存在明显的正剪力滞效应。

下面计算出各个不同截面的顶板正应力峰值、正应力横向积分值、MIDAS杆系模型正应力值以及对应的顶板有效宽度比, 如表2所示, 其中有效宽度比=有效宽度/全桥实际宽度。

由表2可知, 在边箱室存在加劲肋处顶板有效宽度较小;在远离加劲肋处有效宽度比趋近于1, 可不考虑有效宽度影响。

5 结语

本文对大型箱梁的横向分布有效宽度进行了介绍, 分析总结了箱梁应力在横向不均匀分布的原因。使用大型有限元分析软件ANSYS分析了某矮塔斜拉桥的中跨箱梁的有效分布宽度。计算结果表明, 活载作用下, 应力的不均匀更为明显, 活载有加剧箱梁剪力滞效应的效果。

参考文献

[1]刘明志.大跨度连续梁桥施工监控及剪力滞效应研究[D].长沙:湖南大学硕士学位论文, 2010.

[2]陈伟胜.矮塔斜拉桥宽幅箱梁剪力滞效应研究[D].长沙:长沙理工大学硕士学位论文, 2012.

3.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇三

预应力混凝土箱梁裂缝原因浅析及处理

预应力混凝土构件出现的裂缝很普遍.尽管多数裂缝宽度在规范控制范围值以下,不会影响到构件的.结构安全以及使用功能,但对预应力结构的重要性而言,出现裂缝易引起业主和监理的担心与不满,甚至引发法律纠纷.裂缝毕竟是不利的,直接影响结构的耐久性与安全性,不管何种原因产生的裂缝,都应引起工程建设人员的重视,把裂缝作为主要通病之一进行综合防治,减少和避免裂缝现象的出现.本文分析预应力箱梁裂缝的原因及处理措施.

作 者：刘彦峰 作者单位：中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院,武汉,430034刊 名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(4)分类号：U445.71关键词：预应力 箱梁 裂缝 原因浅析

4.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇四

1 常见裂缝类型及成因分析

裂缝是预应力混凝土箱梁病害的主要表现形式, 一般来说, 这些裂缝的成因较为复杂, 往往是一种或多种因素共同影响。从裂缝所在结构部位来分, 箱梁各个部位均有可能产生裂缝, 但在实际工程中较为常见的主要有腹板裂缝、底板裂缝、顶板裂缝、翼缘板裂缝和锚固齿板裂缝5 类裂缝, 针对这几种结构不同部位的裂缝. 对其性质和成因分析如下。

1. 1 腹板裂缝

根据箱梁腹板裂缝分布形态来划分. 主要有竖向和斜向两种裂缝。腹板竖向裂缝一般在施工中较为常见, 往往在拆模时还尚未发生, 但在拆模后1 一3d内会相继出现. 并逐渐趋于稳定, 这类裂缝在腹板土分布范围较广, 局部有的裂缝宽度较宽, 且有可能延伸至翼板和底板。从这类裂缝的性状来看, 属于较为典型的非结构性裂缝, 一般由支架变形、混凝土收缩、温度、混凝土浇注顺序、养生、结构构造配筋、环境等多种因素产生, 但其中支架变形、浇注顺序和混凝土收缩是产生裂缝的主要原因

腹板斜裂缝称为主拉应力裂缝, 属于结构性裂缝, 多数出现在运营期, 往往首先发生在剪应力最大的支座附近和弯剪效应较大的四分之一附近截面, 裂缝朝向支座, 与梁轴线约成25° ~ 50° , 这种裂缝随着时间的推移和在简载的反复作用下会不断向受压区发展, 裂缝数量不断增加, 宽度也会不断变大, 且裂缝区逐渐向跨中方向扩展。由于这种斜裂缝属于结构性裂缝, 往往极具危险性, 当裂缝数量和宽度发展到一定程度时。结构存在突然脆性破坏的可能性腹板斜裂缝主要受箍筋和弯起钢筋布置方式和竖向预应力大小的影响, 如果腹板中的箍筋和弯起钢筋布得太少, 将导致斜截面的抗剪能力不足, 使腹板出现斜裂缝, 另外, 如果竖向预应力筋过短或张拉施工控制不严, 其预应力损失将很大、也会导致结构斜截面抗剪承载力不足, 使腹板产生斜裂缝。

1. 2 底板裂缝

箱梁底板主要有纵向和横向两种裂缝, 对于预应力混凝上箱梁来说, 纵向裂缝较为常见。一般易在施工期出现, 按其产生机理可分为温差裂缝和预应力束张拉裂缝。

温差裂缝属于非结构阵裂缝, 是在结构没有作用任何荷载的情况下产生的, 其原囚是由于温差引起的应力高于逐渐提高的混凝土抗拉强度。由于底板较厚, 硬化期间产生的水化热使底板厚度中部温度较高, 而在两侧表面接触空气的部分稍低. 这样就产生了温度差, 进而产生湿度应力, 使板外缘受拉, 中部受压。在外界空气温度较低时, 外缘旱期冷却较快, 其拉应力有可能大于混凝土抗拉强度, 引起开裂, 表现为底板下缘的纵向裂缝。在大气过于干燥而保湿措施做得不足时, 这种裂缝一也会在箱梁浇筑服部节段时. 出现在较厚的底板中部。

底板预应力束张拉后出现的纵向裂缝属于结构性裂缝属于变高度预应力混凝上箱梁的底板在垂直平面处具有一定的曲率, 根据顶应力等效荷载的原理, 钢束的曲率引起向下的径力, 另外由于轴向受压, 在其垂直方同因材料的泊松比效应而将产生拉应变, 在这两种曲率效应和泊松效应的作用下, 若设计的底板压应力储备留得太大、底板连接上下两层钢筋的吊筋布置方式考虑不周, 以及施工时预应力束曲线定位成折线而产生应力集中等情况时, 极易导致底板沿着预应力管道出现纵间裂缝底板横向裂缝多数属于弯曲受力裂缝、即结构阵裂缝, 主要出现在运营期, 一般在正弯矩较大的跨中区域, 主要表现为分布间距较为均匀, 横向基本贯穿底板全宽, 裂缝较为明显, 宽度较大。这类裂缝一般伴随着主梁有明显下挠, 由于日前的检测手段尚很难确定后期预应力损失程度和混凝土纵向有效预压应力, 且缺乏运营期连续观测资料, 因此引发这类裂缝的原因和严重程度较准诊断, 但一般来说, 这种裂缝的产生与主梁纵向、竖向顶应力有效性降低、局部受力、混凝土徐变收缩、混凝土性能不稳定以及施下质量等因素有关。这种裂缝的出现说明桥梁的病害较为严重, 结构的刚度减弱, 其抗裂性和承载能力不足, 对该类裂缝进行处理, 应采取加固补强的方法。

1. 3 顶板裂缝

箱梁顶板纵向裂缝一般出现在顶板内表面, 常见于施工期, 一般受顶板内外温差、横向预应力束张拉力以及箱内支架沉降等因索影响。内外温差主要是指混凝土硬化期间产生的水化热引起的, 在外界空气温度较低时, 外缘早期冷却较快。因此在厚度中部温度较高, 而在两测表面部分稍低, 这样就产生了温度应力。当温差产生的拉应力大于混凝土抗拉强度、就会产生开裂; 横向顶应力束张拉后产生的纵向裂缝主要是由于顶板厚度较薄, 预应力束精确定位较为困难, 再加上施工质量控制不严、振捣不注意等问题, 顶应力束较易偏离设计位置而定位成折线, 这样将产生应力集中, 从而导致局部出现纵向裂缝; 顶板支架沉降主要是由于箱内支架未进行预压, 当浇筑顶板混凝土时, 在自重、振捣等作用下, 致使支架发生变形和沉降, 顶板出现下挠变形, 由于混凝土的强度有个发展过程, 初期往往较低, 因此一旦支架沉降很可能产生纵向开裂实际上顶板出现纵向裂缝往往受多种因素的影响, 在发现顶板纵向裂缝后, 应根据裂缝的形状、出现时间、环境、施工方法等情况具体分析, 不同原因产生的裂缝应采取不同的处理方法。

1. 4 翼板裂缝

箱梁翼板横向开裂是一个普遍存在的问题, 一般出现在桥墩顶处箱梁两侧翼板, 由于薄壁少肋较好的经济效果, 在工程上越来越多地使用宽箱大挑臂截面, 但由于设计理论的不完善, 导致在箱梁设计中, 断面尺寸, 受力计算模式、钢筋配置等方面存在一定的缺陷。实际工程监测数据说明, 翼板常会出现拉应力, 这主要是由于实际翼板应力与理论计算不符, 一般预应力束在支点负弯矩段基本布置在腹板上缘, 这使预应力过分集中, 导致在腹板上缘产生较大的集中压应力, 而远离腹板的翼板上压应力则不足, 越靠外侧, 减少越明显。同时由于纵向弯矩在横向存在一定的分布、纵向弯矩并不都是由腹板上缘的顶板承受, 在离开腹板一定范围内, 翼板上依然承受纵向弯矩。由于本身须应力未能很好地按受力分配来布置, 导致在翼板储存的压应力不足, 运营使用时此处率先开裂。另外有些梁桥甚至刚建成还未运营使用就已开裂。

设计中纵向主要考虑预应力束来抵抗负弯矩, 普通钢筋只是满足构造要求, 而不考虑受力。实际上, 普通钢筋的抗裂作用是很有效的, 建议设计时考虑将支点至l/4L段负弯矩区的纵向构造钢筋适当加粗加密, 以使其运营使用时抵抗拉应力, 以降低翼缘板开裂的可能。

1. 5 锚固齿椒裂缝

锚下齿板裂缝在实际工程中也较为普遍. 其裂缝一般距锚具一定距离, 并且基本沿预应力筋方向。这主要是在锚具处作用局部的集中力后, 在锚具下一定范围内是处于横向受压状态, 但过后即产生横向受拉状态 ( 见图1所示) 。当其拉应力大于当时混凝土抗拉强度, 即会沿预应力方向产生裂缝, 特别是在张拉时, 若混凝上强度未达到要求, 或锚下配置抗应力集中的钢筋不足时, 就会出现这种纵向裂缝。

2 结语

预应力混凝土连续箱梁桥的常见裂缝类型众多、原因复杂, 涉及混凝土的材料性质、构造特点、环境、施工和设计质量等方向, 因此我们要从设计和施工两方面进行控制。在设计方面应考虑有效的抗裂措施, 在施工方面应完善施工工艺, 包括合理的混凝土配合比、可靠的模板支架体系、正确的混凝土浇筑工艺、科学的混凝上养护方法等, 那么多数裂缝都是可以预防的。对于出现的裂缝, 也应采用科学的方法区别对待, 若是一些很难避免、宽度较小, 不影响结构正常使用的非结构性裂缝, 一般为了防止空气中的水分渗入混凝土中而使钢筋锈蚀, 仅需采用表面封闭即可; 若是由荷载过大, 结构承载力不足而引起的结构性裂缝, 一般除对裂缝修补外, 还需对结构进行加固补强。

摘要：预应力混凝土连续箱粱桥裂缝是较为常见、也较难避免的病害之一, 本文针对预应力混凝土连续箱梁桥的各类常见裂缝, 对其裂缝性质和成因进行分析和探讨, 并提出了相应的处治措施, 以期为类似工程设什、施工提供一些参考。

5.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇五

关键词：体外预应力,小箱梁,予裂梁,挠度,裂缝

体外预应力结构相对于传统的体内预应力结构具有维护管理方便、预应力损失小、施工工期短等优点, 能够较大幅度地提高旧桥承载能力, 在国内外桥梁界已得到了较为广泛的应用。但目前对于体外预应力技术的应用研究大都是针对矩形或T形截面梁进行, 而对体外预应力加固箱梁的研究较少, 且基本均未考虑加固前原有结构的初始受力状态。因此, 本文结合实际箱梁结构工程, 考虑被加固构件的初始状态, 对五片钢筋混凝土箱梁 (其中一片梁予裂) 进行体外预应力加固性能的试验研究。分析了不同初始受力状态结构加固前后裂缝和跨中挠度在各级荷载下的发展规律, 并将试验结果与理论计算结果进行了比较, 为进一步完善体外预应力加固工程设计理论提供指导。

1 试验概况

本次试验针对被加固钢筋混凝土箱梁不同的初始受力状态, 包括开裂状态、不同配筋率、不同张拉控制应力、体外预应力筋的不同横向位置等因素, 分析各级荷载下梁的挠度、裂缝分布、体外预应力钢筋应力增量、承载能力等力学特性的变化特征, 探讨体外预应力加固提高承载能力的各种影响因素。限于篇幅, 本文将重点分析试验梁加固前后跨中挠度和裂缝的分布规律。

1.1 试验梁设计

本文设计制作了5片箱梁试验模型。箱梁全长4.5m, 计算跨径4.2m, 为简支结构。采用三分点加载方式。箱梁混凝土强度为C50, 采用双折线体外预应筋加固, 体外预应力筋采用直径15.2mm低松弛预应力钢绞线, 其抗拉标准强度fsk=1860Mpa。普通受拉钢筋为Φ10和Φ12的HRB400级钢筋, 箍筋、纵向水平筋采用Φ8。箱梁顶板宽1.2m、0.06m, 底板宽0.7m、厚0.07m, 梁高0.38m, 腹板厚0.08m。其它部分按比例缩小。

1.2 试验梁分组基本情况

试验梁分为两组, 分别为A01、A02、A03和B01、B02。试验梁都采用HRB400钢筋。A组采用1.025%的配筋率、Φ12的钢筋直径。B组采用0.712%配筋率、Φ10的钢筋直径。A01采用超载预裂后进行体外预应力加固形式, 其它采用完整梁体外预应力加固形式。A03采用837 MPa张拉控制应力, 其它采用1023 MPa张拉控制应力。

2 跨中挠度的试验分析

2.1 张拉控制应力对加固梁跨中挠度的影响分析

A02梁的张拉控制应力为1023 MPa, A03梁的张拉控制应力为837MPa。通过实验看到, 在混凝土开裂前, A02和A03梁荷载与挠度基本呈一个线性关系, 截面的抗弯刚度对于不同张拉控制应力的加固梁没有显著增加, 只是线性变化率稍有不同, 原因是在构件变形增大时, 体外预应力钢筋发挥了作用, 从而减缓了构件的变形趋势。由于体外预应力钢筋随着构件的变形增大, 相应被动增加了应力, 抑止了非预应力钢筋屈服后构件变形的发展速度, 减少了构件的挠度和最大裂缝宽度。但是在开裂后, A02和A03梁的截面抗弯刚度有很大不同, 张拉控制应力越大, 其跨中截面抗弯刚度的提高程度也越大。

2.2 配筋率对加固梁跨中挠度的影响分析

不同配筋率的A02和B02完整梁加固后的荷载和跨中挠度关系对比发现。A02梁的配筋率为0.01025, B02梁的配筋率为0.00712。通过实验看到, 体外预应力加固梁开裂前荷载与挠度呈线性关系, 开裂后挠度变化明显加大。A02和B02梁加固后在开裂荷载之前, 两者挠度变化基本上一致, 配筋率大较配筋率小的变化稍微缓和一些, 但是在开裂以后, 两者挠度变化有明显不同, 可见配筋率高一些的构件刚度也大。两片梁的挠度差距随荷载增大而加大。

2.3 体外预应力筋的位置对加固梁跨中挠度的影响分析

B01和B02完整梁加固后的跨中挠度进行对比, 两者配筋相同, 张拉控制应力相同, 但是在加固时体外筋横向偏心布置上有所不同, B01梁体外筋距离横截面中心轴的偏心距较B02梁远2.5cm。在荷载开裂前, 挠度变化基本现实, 跨中挠度变化区别不大, 但是在构件开裂以后, 在同一荷载下, 横向偏心距大的梁开裂时的挠度较大, 随着荷载继续增加, B02梁挠度的变化与B01挠度变化开始接近。显然, 开始时B02的抗弯刚度略大于B01梁的抗弯刚度。B01梁的体外筋发挥作用要晚一些, 但随着荷载的增加, 两者的刚度比较接近。

2.4 预裂梁加固与完整梁加固的跨中挠度分析

把A01和A02加固梁跨中挠度变化进行对比。A01梁为预裂后加固进行荷载试验。A02为完整梁加固。两个梁的配筋和张拉控制应力完全相同。通过实验我们看到, 在开裂前两个梁挠度随荷载的变化基本一致, 差别很小, 开裂后, 两个梁的变化稍有不同, 但是总体来看, 预裂梁加固和完整梁加固在抗弯刚度上没有明显区别。

3 结论

本文结合实际箱梁结构工程, 考虑被加固构件的初始状态, 包括开裂状态、不同配筋率、不同张拉控制应力、体外预应力筋的不同横向位置等因素, 对5片钢筋混凝土箱梁 (其中一片梁予裂) 进行体外预应力加固结构受力性能的试验研究, 对不同初始受力状态结构加固前后裂缝和跨中挠度在各级荷载下的发展规律进行了分析, 结果表明:

1) 加固时体外预应力筋张拉控制应力越大, 其跨中截面抗弯刚度的提高程度也越。

2) 初始构件配筋率会影响加固后结构的刚度, 在构件开裂前其影响并不明显, 但是开裂后配筋率低的梁的抗弯刚度明显不如配筋率高的梁。

3) 预裂梁加固同完整梁加固相比, 两者在荷载作用下挠度变化基本一致。

河北省科技厅项目编号: (072156131)

参考文献

[1]张仲先, 张耀庭.体外预应力混凝土梁体外筋应力增量的试验与研究[J].铁道工程学报, 2003.

[2]祝明桥, 方志, 胡秀兰, 徐昌慧.体外预应力高强混凝土薄壁箱梁试验研究.中国公路学报.2004.

[3]颜志华.体外预应力加固混凝土梁试验研究, 世界桥梁, 2007.

[4]姜红光, 王廷臣, 徐辉.体外预应力加固混凝土简支梁的试验研究.公路交通科技, 2006.

6.浅谈混凝土箱梁桥腹板裂缝成因 篇六

1 箱梁结构基本分析理论

箱形梁在偏心荷载作用下,将产生纵向弯曲、扭转、畸变及横向挠曲四种基本变形状态,其中弯扭作用将使箱梁产生纵向正应力和剪应力,横向弯曲和畸变将在箱梁各板中产生横向弯曲应力和剪应力。

对于混凝土桥梁而言,恒载占其所有荷载的绝大部分,因此一般来说箱梁内的纵向弯曲应力是主要的,而偏心荷载引起的应力是次要的。因此在结构设计中,我们一般采用平面杆系单元来模拟整个模型,从而忽略了扭转、畸变等因素,造成对箱梁腹板和顶板应力分析的失真。

对于混凝土连续箱梁桥,在恒载、三向预应力以及在使用阶段荷载作用下,箱梁腹板内任意一点的应力状态如图1所示,由力学知识知,该点主拉应力可表示为:

$\text{σ}{}_{1,3}=\frac{\text{σ}{}_{\text{x}}+\text{σ}{}_{\text{y}}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\text{σ}{}_{\text{x}}-\text{σ}{}_{\text{y}}}{2}){}^2+\text{τ}{}^2}(1)$

式中:σx—由纵向预应力和使用荷载产生的混凝土压应力;

σy—由竖向预应力产生的混凝土竖向压应力。

令:σ1=0或者σ3=0,则有:

$\frac{\text{σ}{}_{\text{x}}+\text{σ}{}_{\text{y}}}{2}=\sqrt{(\frac{\text{σ}{}_{\text{x}}-\text{σ}{}_{\text{y}}}{2}){}^2+\text{τ}{}^2}(2)$

对式(2)两边平方化简有:

σxσy=τ2 (3)

由式(3)可以看出,通过调整σx、σy,可以对主拉应力进行控制调整,从而达到控制裂缝的目的。当满足σxσy>τ2时,腹板只出现压应力而无主拉应力;当满足σxσy<τ2时,主拉应力为0;当满足σxσy=τ2时,腹板会出现主拉应力,但主拉应力值的大小可以通过调整σx、σy的乘积来控制。

2 模型建立及分析

本文以某高速公路上一个特大桥为例,其主跨布置为105m+200m+105m,单箱单室箱形截面。箱梁梁高、底板厚度均按1.8次抛物线变化。主跨箱梁墩顶梁高(箱梁中心线)为1200cm,跨中梁高(箱梁中心线)为350cm,箱梁顶板全宽为1200cm,厚度为30cm,底板宽度为650cm,厚度为30cm。腹板厚度分别为90cm、75cm、60cm及50cm。本文为了能够对腹板斜裂缝进行分析,建立0号块的局部模型,模型纵桥向长度为24m。 取主墩的一部分下端固定,从整体分析的结果可以得出,主墩墩柱的长度对上部箱梁的应力几乎没有影响,故局部分析时取距离墩柱顶5m的截面作为局部边界。本桥采用了MIDAS的实体单元对0号块进行分析。其计算模型如图2所示,为了便于更为细致的分析腹板内应力对裂缝影响,本文拟从竖向预应力的影响、箱梁高度及腹板厚度的影响、纵向预应力的布置方式三个方面入手进行分析,其结果分别如图3～图5所示。本文图中如无特别说明,拉应力用负值表示,压应力用正值表示。

从图3～图5可以得出:

(1)竖向预应力钢筋的预应力损失对0号块腹板主拉应力有较大影响。随着预应力损失的增加,主拉应力的增量也增大,当预应力损失从20%增大到50%时,预应力损失量的比例为2.1,各位置处的主拉应力增量的比例为2.6,二者约成线性比例。因此可以通过施工及设计等措施,控制竖向预应力钢筋的预应力损失,对改变腹板的受力具有重要作用。

(2)箱梁腹板度的变化可以影响横截面的刚度和结构的整体刚度,从而影响结构内部应力的大小和分布。适当增加腹板厚度,截面内剪应力、腹板主拉应力均会有所下降。但是,增大腹板厚度会增加结构的自重,所以在具体设计时一定要慎重选择。建议腹板厚度从跨中向支座处逐渐增加。

(3)纵向预应力束适当的竖弯有利于改善大跨径梁的主拉应力,因此建议合理的布置预应力钢束的下弯束,使预应力提供的抗剪力在腹板内有一个连续的分布,并尽可能多的将预应力束布置在腹板内,建立起足够的纵向有效预应力和弯起束提供的竖向预应力,从而达到降低或抵消主拉应力的目的。

3 结语

本文借助具体实例分析了竖向预应力钢筋、箱梁腹板厚度变化、纵向预应力束的布置形式对箱梁腹板裂缝的影响,所得结论基本与理论分析一致,即调整σx、σy值,可以对主拉应力进行控制,从而达到改善裂缝的目的,为设计人员控制箱梁腹板裂缝提供了一个参考依据。

参考文献

[1]钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究[J].铁道科学与工程学报.2006,3(3):7-10.

[2]丁大钧.钢筋混凝土构件抗裂度裂缝和刚度[J].南京工学院出版社,2001.

[3]丁大钧.现代混凝土结构学[M].中国建筑工业出版社,2000.

[4]李运魏,张宏.预应力混凝土箱梁裂缝分析与防治[J].公路与汽运,2004,(3):83-84.

7.预应力混凝土桥箱梁底面横向裂缝分析 篇七

在箱梁腹板设置竖向预应力筋是为了减小和控制腹板主拉应力、防止开裂,然而有关该类桥型在施工、营运过程中箱梁桥腹板开裂的病害报告也越来越多。这些情况表明,施加腹板竖向预应力并不能完全防止腹板的开裂。竖向预应力损失过大或失效,没有达到设计目的是导致混凝土箱梁桥腹板开裂的主要原因之一。

竖向预应力体系与纵向预应力体系相比:竖向预应力采用的是钢筋螺纹锚具,与夹片锚具不同,螺母拧紧需要人工操作,同时精轧螺纹钢筋具有一定刚度,事实证明,竖向预应力瞬时损失除了摩阻损失,弹性压缩损失,回锚损失外还包括钢筋与螺母滑移及锚具安装偏差引起的损失,竖向预应力的实际损失比计算值要大许多[2]。

1 钢筋与螺母的相对滑移引起瞬时损失

精轧螺纹钢筋在生产过程中它的螺纹、直径尺寸存在着加工误差,螺母也存在这种情况。钢筋的阳纹与螺母的阴纹必存在咬合空隙。文献[4]指出螺母的各螺纹牙承受载荷的大小是不同的,螺栓和螺母结合的第一螺纹牙的百分比最大可达到30%左右,而螺纹连接的载荷分布情况将随标称应力的改变而改变。

基于以上两方面原因,由精轧螺纹钢筋和螺母构成螺旋副,与锚垫板组成的竖向预应力体系,在预应力筋回缩时,钢筋阳纹与螺母阴纹经历的贴紧,塑变,滑移,协调变形的过程必造成竖向预应力损失。钢筋与螺母的相对滑移造成的竖向预应力损失的大小与钢筋螺母的加工精度,材料的性质(如表面的锈蚀程度,钢材的强度),施加的张拉力、扭力的大小等因素有关。

利用测试装置进行钢筋与螺母相对滑移试验,试验共分三组:A,B,C。

试验结果表明:

1)A,B,C组钢筋与螺母存在相对的滑移,并随拉力的增加而逐渐增大,最大值接近0.5 mm;2)当张拉力达到一定值时,钢筋与螺母的位移增量变成一致;3)在进行二次张拉时,钢筋与螺母的位移基本一致,与张拉力的大小无关。且位移量比第一次小很多。

图1,图2分别按钢筋与螺母相对滑移(0.5 mm)和文献[3]计算(其中锚具变形,钢筋回缩和接缝压缩取1 mm)引起的预应力损失值。

可以看出:1)钢筋与螺母的0.5 mm的滑移量引起的预应力损失不大,预应力钢筋长度为12 m预应力损失率只有2%,2 m钢筋预应力接近10%;2)文献[3]计算结果略大,考虑到接缝压缩等因素影响,文献取值是合适的。针对上述损失对预应力筋应进行二次张拉,即对竖向预应力先后完成两次张拉,通过第一次张拉,消除钢筋与螺母存在相对的滑移,减小钢筋松弛和混凝土徐变引起的预应力损失,在此基础上进行第二次张拉,二次张拉还能大大降低施工中失误操作,保证竖向预应力的施工质量。

2 竖向预应力锚具垂直度对竖向预应力回缩瞬时损失影响

预应力施工过程,为了保证张拉安全,减少预应力损失,要求端部的预埋钢垫板应垂直于孔道中心线。由于钢垫板安装误差及混凝土浇筑过程的扰动都可能引起钢垫板不垂直于孔道中心线,对于纵向的夹片锚具体系,钢绞线具有一定的柔度,对锚下垫板偏角有一定的适应性。对于精轧螺纹钢筋,当垫板与钢筋成一定角度(90°-θ)时,会出现以下状况:1)锚具(螺母)很难拧紧,在螺母与垫板之间形成空隙。当预应力钢筋回缩时必造成预应力的损失;2)同时造成钢筋弯曲。钢筋的弯曲使钢筋与螺母卡在一起,二次张拉施工时,很难再拧动螺母。当θ角度较大时,可能引起钢筋的断裂(日本铁道施工规定θ角不能超过3°)。文献[3]并未将锚具安装偏差计入预应力损失。

锚具(钢垫板)安装偏角误差引起的预应力损失σL2-2计算如下:

σL2-2=(tgθ D/2L)×EP。

其中,θ为安装的偏角,(°);D为螺母的平均外径,mm;L为预应力钢筋的长度,mm;EP为钢筋的弹性模量,Pa。

本文利用图3模型进行锚具安装偏角对预应力损失影响测试,混凝土:采用C60高强混凝土(在标准养护24 d后,混凝土强度达到62.8 MPa),弹性模量Ec=3.5 MPa;钢筋:ϕ32精轧螺纹筋,fpk=930 MPa,Ep=2.0×105 MPa,其技术条件满足Q/12QT 394-2002中JL800级要求;锚具:YGM25型YM锚,其锚固性能类别满足Ⅰ类要求;钢筋张拉力:500 kN。锚具的倾角利用电子倾角仪测量。试验结果见表1。

从表1中可看出:实测结果与理论计算值吻合较好;钢筋与锚垫板的安装偏角θ都在2°范围内。当θ=2°时的钢筋回缩损失量为24%。测试的8根钢筋安装偏角较大的3号、6号、8号钢筋,预应力的瞬时锚固损失分别占预拉力的21.12%,20.74%,22.42%。

表2按安装的偏角3°计算的预应力损失值并与文献[3]计算结果进行对比:从表2得出,3°的安装偏角误差引起的预应力损失很大,12 m长钢筋的预应力损失率接近10%,2 m长钢筋预应力损失则接近60%;由安装偏角造成的预应力损失要远大于文献[1][2]规定的锚具变形等引起的预应力损失计算值。计算竖向预应力损失小于实际损失,未计入锚具安装误差是重要原因。

3 结语

测试结果表明,预应力钢筋与螺母相对滑移并未引起较大的预应力损失,而未计入安装偏角预应力损失是造成实际预应力损失与理论差异大的主要原因,针对上述情况,一方面,应对竖向预应力筋进行二次张拉(减小弹性压缩,钢筋和螺母相对滑移造成的损失),超张拉(减小锚具安装误差造成的预应力损失),改进竖向预应力张拉工艺和加强质量检验,减少人为因素的影响。另一方面,可通过数理统计,概率分析得到合理的安装偏角,并将此项损失计入预应力回缩损失中。

参考文献

[1]钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究[J].铁道工程与科学学报,2006(6):7-14.

[2]彭宝华.对公路混凝土桥梁裂缝的认识[A].中国公路学会桥梁和结构工程分会2004年全国桥梁学术会议论文集[C],2004:320-325.

[3]JTJ D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]王自勤.螺栓应力应变及疲劳寿命分析[J].科技成果,2000(4):44-46.