浅析预应力混凝土箱梁裂缝成因
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科 建I筑』工J程 浅析预应力混凝土箱梁裂缝成因 燕锐 (哈尔滨市第六建筑工程公司,黑龙江哈尔滨150000) 摘要:随着混凝土箱梁结构在桥梁设计中的不断推广和应用,该桥型在施工和使用过程中已出现了许多裂缝,本文通过阅读大量的文献和资 料。总结了混凝土葙梁裂缝产生的原因。 关键词:预应力;混凝土箱粱;裂缝 1使用混凝土箱梁的优点 在已建成的大跨度预应力混凝土梁桥中, 当跨度超过40m后,横截面大多采用箱形截 面。其主要优点是: a.箱形截面是一种闭口薄壁截面,其抗扭 剐度大,截面效率指标较T形截面高,结构在施 工和使用过程中都具有良好的稳定性。b.顶板 和底板面积较大,能有效地承担正负弯矩,并能 满足配筋的需要,适应具有正负弯矩的结构,也 更适应于主要承受负弯矩的悬臂梁、T形刚构 等桥型。厶适应现代化施工方法的要求。d承重 结构和传力结构相结合,使各部件共同受力,截 面效率高并适合预应力混凝土结构的空间布 束,因此具有较好的经济性。e.对于宽桥,由于 抗扭刚度大,内力分布比较均匀,跨中无需设置 横隔板就能获得满意的荷载横向分布。£适合于 修建曲线桥,并具有较大的适应性。g-能很好适 应布置管线等设施。在设计上,箱形截面可极大 地发挥预应力地效用。可提供很大地混凝土面 积用于预应力柬地通过,更关键地是可提供较 大地截面高度,使预应力束有较大的力臂。因 此,桥梁设计师可发挥箱梁和预应力地特点,顶 底板纵向钢束采用平弯和竖弯相结合的空间曲 线,集中锚固在腹板顶部的承托中(或锚固在腹 板中)。底板钢束尽可能靠近腹板加厚板(齿板) 并在其上锚固。 2预应力连续箱梁裂缝的产因 预应力连续箱梁的裂缝类型主要有:边跨 斜裂缝,边跨水平裂缝,中跨斜裂缝,中跨水平 裂缝,边跨的水平裂缝、斜裂缝同时发生,中跨 的水平裂缝、斜裂缝同时发生,底板、顶板纵向 裂缝,底板、顶板横向裂缝、箱梁横隔板的放射 性裂缝,预应力锚圊部位齿板附近裂缝。 . 预应力混凝土连续箱梁裂缝从成因角度 可分为:由荷载效应(如弯矩、剪力、扭矩及拉力 等)引起的裂缝、由4,1,/J ̄变形或约束引起的裂 缝,主要包括”基岩效应”、地基不均匀沉降、 混凝土收缩、外界温度的变化等、钢筋锈蚀裂 缝、预加力次效应引起的裂缝、建材原因引起的 裂缝。 根据裂缝产生部位的不同我们可将其分 为:翼缘板横向裂缝和腹板斜裂缝两种。 2.1翼缘板横向裂缝一般发生在箱粱受纵 向弯矩较大处的受拉翼缘板处,横向裂缝一般 均发生在跨中底板翼缘。对于连续箱粱,横向裂 缝还发生在支座负弯矩处的顶板翼缘,并且大 部分出现在距支点l/3跨径范围以内,越靠近 支点裂缝越严重,对于该类型裂缝,主要有以下 原因引起,首先,设计时翼缘板有效分布宽度考 虑不足,薄壁箱梁翼缘板有效分布宽度问题实 际上就是剪力滞问题,由于理论计算剪力滞效 应较为繁琐,不适于工程应用,各国普遍采用有 效分布宽度的概念。由于剪力滞效应的考虑不 足或计算值安全储备较低,在一些特殊荷载工 况下容易发生应力过度集中,腹板处翼缘应力 波峰超过允许值,因而首先在该处发生横向裂 缝。在多年反复荷载的作用下,裂缝横向发展, 向翼缘板中部扩展,以至于形成横向通缝。对于 薄壁箱梁桥的翼缘板横向裂缝,病害原因多归 于此。其次,混凝土徐变引起横向裂缝,在长期 荷载作用下,受混凝土徐变影响,箱梁在运营 6—7年后跨中均有不同程度的下挠现象。较大 的形变引起箱梁应力重分布,给结构带来附加 被动应力。由于结构所受到的外荷载不变,各截 面应力增加是由附加弯矩不断变化引起的,附 加弯矩随时间不断增加,直到混凝土徐变停滞 为止。 同时,预应力松弛也会引起横向裂缝,对于 预应力混凝土结构,箱梁内部预应力对结构应 力状态有较大的影响,随着桥梁运营时间的增 长,预应力钢束发生松弛效应,并且越来越明 显。在现代施工中一般采用低松弛钢绞线材料, 并且规范张拉工艺,但在具体操作中难免会出 现与规范不相吻合的情况,力筋长期持荷加之 混凝土收缩徐变影响,预应力损失也是相当严 重的。同时,选用钢筋不合理也会引起横向裂 缝,对于普通钢筋混凝土箱梁,钢筋与混凝土的 粘结力对结构的整体刚度和裂缝的扩展有较大 的影响。我们应该选用表面不光滑、化学吸附作 用和握裹力都较强的预应力钢筋。 2.2腹板斜裂缝一般发生在支点至1/4跨 之间。对于预应力和非预应力箱梁,在施工阶段 以及在运营阶段,腹板经常出现斜裂缝,斜裂缝 同样有多种因素引起,有设计计算、设计构造配 筋、施工工艺、气候条件、日常维护、荷载工况 等。部分因素在导致翼缘板出现横向裂缝的同 时也是腹板斜裂缝的主要原因,首先,预应力损 失过大导致腹板主拉应力过大,由于纵向预应 力损失的存在,部分预应力损失超过设计计算 值导致截面抗弯承载力严重下降,从而产生翼 缘板横向裂缝。对于预应力混凝土薄壁箱梁结 构,预应力损失也是腹板斜裂缝的主要病害原 因,预应力损失量估计不足或者在实际张拉过 程中操作不当引起应力损失量加大等情况经常 发生,导致力筋的有效预应力达不到设计要求, 从而腹板因主拉应力超过容许值而发生开裂。 竖向预应力钢筋较短,张拉后少量的回缩即可 产生较大的预应力损失,分批张拉产生的弹性 压缩可以使预应力损失达11%,如果有超张拉 情况,其损失率更大。悬臂对称施工时,挂篮一 般后锚于竖向预应力螺纹钢上,在施工荷载的 作用下,预应力损失也比较大。其次,温度梯度 过大会导致腹板剪切应力过大,从而产生腹板 斜裂缝。在阳光充足的地区,太阳直射桥面.因 而桥面板温度急剧升高,靠近水面的底板温度 较低,两者形成温度梯度。对于目前普遍采用的 大跨度、变截面箱梁,随着截面高度变化幅度的 增加及箱粱长度和支撵约束的增加,温度梯度 应力沿梁长方向变化较快,对于气温变化较为 强烈的地区,由于顶板翼缘受外界温度影响较 大,随外界气温变化波动较为明显,导致腹板拉 压应力交替频繁,在应力幅度变化较大的区域 也容易出现斜裂缝。同时,腹板抗剪强度设计值 不足也会造成腹板斜裂缝的出现。设计薄壁箱 梁的首要目的是减轻结构自重,降低材料使用 量,所以其腹板与翼缘板设计厚度较薄。箱梁腹 板面积与抗剪承载力有密切的关系,而薄壁箱 梁腹板面积与普通箱梁相比是小得多得,在无 预应力作用情况下,腹板依靠提高腹板的箍筋 配筋率和弯起钢筋得数量来提高其抗剪能力。 但是在腹板厚度有限的条件下,其提高值亦是 有限的。所以,薄壁箱梁腹板抗剪能力相对于普 通混凝土箱梁较小,斜裂缝容易发生。 3结论 预应力箱梁在正常使用极限状态下不应该 出现梁体裂缝,但是已建预应力混凝土箱梁桥 上的开裂情况却非常普遍,因此我对预应力混 凝土箱梁桥典型裂缝成因进行了系统总结。望 能为混凝土箱梁的设计和施工起到一定的参考 价值。 参考文献 【11范立础,顾邦安.桥梁工程(上册)[M】.北京:人民 交通出版社.2004. 『21项海帆.高等桥梁结构理论fM】.北京:人民交 通出版社.2001. f31杨文化.预应力混凝土连续箱梁桥腹板抗裂 性研究『D1.长沙:湖南大学,1999. 『41陈性凯.广州华南大桥箱粱裂缝的初步分析 .中国市政工程,1997,(3):27-29. 【51李少波.混凝土桥梁上部结构裂缝综述m.铁 道勘测与设计,1998,(1):6-1o. f61蔡斌.连续箱梁裂缝问题探讨『J1.合肥工业大 学学报(自然科学版),2004,27,(9):1107—1ll1. 一
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