产连续刚构箱梁底板崩裂原因分析与对策

2022-09-11

近年来, 一些连续刚构桥在施工和运营过程中, 箱梁截面出现了一些问题, 主要表现为腹板裂缝、竖向预应力筋崩脱、跨中下挠、底板开裂、桥面裂缝等。文中对连续刚构桥在施工中张拉底板预应力束和成桥时常出现箱梁底板开裂和崩裂的原因进行了力学分析, 提出了相应的防治措施。

1 典型的破坏形式

大跨径预应力混凝土连续 (刚构) 梁高根据悬臂施工及受力需要, 一般设计为变高度形式, 通常采用抛物线或圆曲线渐变方式, 设于底板中的连续钢束因而存在一定的曲率, 同时, 管道定位不良或混凝土浇注振捣影响亦会产生局部波浪状的钢束位置偏差。张拉时, 曲线段钢束产生径向力q, 作用于底板混凝土。径向力的大小有经典的公式表达:q=F/R式中, q为钢束产生的径向分布力 (k N/m) ;R为曲率半径;F为钢束拉力, 取扣除锚圈口摩擦、管道摩阻损失后的张拉力的1.2倍[1], 本文算例按控制张拉力的1.2倍。根据对多座预应力混凝土连续刚构桥底[1]板崩裂事故的调查, 普遍存在有预应力钢束定位不准、波纹管间距过小、混凝土振捣不密实、上下层之间的连接钢筋设置较弱甚或未设置等施工缺陷[2,3,4], 概括起来, 典型的破坏形式主要有3种。梁底的预应力径向外崩力q是产生破坏的主因。 (1) 底板横向挠曲产生的纵向开裂。这种破坏多见于箱宽较大的情况。底板在径向力作用下的横向挠曲可以按单位长度箱梁横向框架计算或空间计算来分析, 见图1。横向挠曲产生的结果就是, 底板横向跨中受正弯矩、两端由于腹板弹性嵌固而承受负弯矩作用。箱宽愈大、底板钢束离腹板距离愈远, 这种效应愈显著。截面拉应力超出混凝土抗裂能力, 则导致纵向开裂。

(2) 底板上、下层之间分离拉裂。底板上、下层之间分离, 是由于钢束管道对截面的削弱及不良构造引起的, 表现为大面积起鼓或大块脱离, 见图2。

(3) 钢束局部崩出 (剪出) 。曲线段或折点处钢束, 由于局部径向力的作用, 在外崩方向混凝土保护层厚度较小、受力钢筋配置不佳、混凝土质量存在缺陷时, 易出现崩出破坏, 其受力图式见图3。

2 两种典型破坏形式的配筋要求

2.1 底板上、下层之间分离拉裂

如图2, 近似地, 管道之间混凝土上下拉应力按均匀计算:σ=q/d。当拉应力大于混凝土的开裂应力时, 拉力由钢筋承受, 这时, 上下层连接钢筋沿钢束每延米需要的面积按承载能力极限状态[1], 有:

式中, f′s d为到达极限状态时的钢筋应力, 由于实际结构底板厚度不大, 上、下层之间抗拉钢筋长度短, 计算时要考虑锚固传力长度不足的影响。按大跨径连续刚构一般采用C50混凝土、φ16抗拉钢筋 (Ⅱ级钢筋, 下同) 、基本锚固长度2 0倍钢筋直径、实际锚固传力长度12cm计算锚固传力长度不足的影响, 有上、下层分离处的钢筋极限应力:f′s d=1 2/ (2 0倍钢筋直径) fsd=0.375fsd代入式 (1) , 则有抗拉钢筋计算公式:

要注意的是, 有效锚固考虑了9 0°弯钩, 因此钢筋两端应与外层钢筋钩牢。

2.2 钢束局部崩出 (剪出)

崩出破坏可参考冲切模式[1]计算:

式中, d为波纹管外径;t为波纹管中心到混凝土边缘的距离。于是有不配置剪出钢筋的尺寸要求:

当不满足式 (3) 的尺寸要求时, 需配置抗剪钢筋, 按配置箍筋情况[1], 每延米箍住钢束管道的钢筋面积A s v u按下式计算:

与前面类似, 极限状态时的箍筋应力应考虑锚固长度不足的影响, 偏安全地, 按1 6 m m、1 2 c m锚固传力长度, f′s d=0.375fsd, 于是有:

最后, 波纹管中心到混凝土边缘的距离t还应满足最小尺寸要求[1]:

3 关于外崩力的讨论

由于梁底预应力径向外崩力q是产生破坏的主因, 准确地计算q值是解决问题的关键, 为简单计, q可以分为梁底固有曲线产生的径向力q1和管道定位误差产生的径向力q2, q=q1+q2。

3.1 梁底固有曲线产生的径向力q1

以应用最广的抛物线变化规律为例, 见图4, 假设梁底曲线长度为l, 根部梁高为h0, 跨中梁高为h1, 抛物线幂次为k, 则有梁底抛物线方程:

1阶和2阶导数为:。

曲率半径:R= (1+y′2) 1.5/|y″|可以看出, 当抛物线幂次k<2, x→0时, y″→∞, R→0, 钢束在此存在一个集中力作用, 因此当抛物线幂次k<2时, 跨中钢束的局部崩出问题及其验算要予以充分注意。以主跨80, 160, 200m为例, 比较x=4m (最后一个悬浇段处) 的曲率半径和钢束径向力q 1, 结果见表1。

由此可以看出, 曲率半径与跨径、抛物线指数密切相关。对于山区跨度小于160 m的桥梁, 根部梁高不受净空限制时可取相对大些, 抛物线指数取2, 以避免合龙段出现较集中的外崩力;对于跨度小于160 m的桥梁, 底板连续钢束规格不宜超过15.24-15。如果箱梁节段按抛物线的折线设置, q1将向节段折角处集中, 按分布长度1 m计算:q′1=q1l/1.0m式中, l为两相邻节段长度的平均值, 对于表1中跨径160 m箱梁, 1.8次抛物线, 节段长度4 m, 有节段折角处径向力q′1=58.8kN/m。

3.2 直线段管道定位误差产生的径向力q 2

施工质量控制水平不同, 管道定位误差相差悬殊, 假定定位钢筋间钢束曲线按图5余弦函数曲线变化, y=0.5tcos (2πx/L) , 半波包角θ=2πt/L, 包角对应的长度为L/2, 则有等效曲率半径:R=L/2θ=L2/ (4πt) 式中, t为钢束偏移误差, 为管道误差减去钢束与孔道之间间隙;L为定位钢筋间距。

直线段定位钢筋间距通常为100cm, 根据对多座发生事故桥梁的管道误差观察, 定位钢筋之间管道下垂达2 c m, 钢束与孔道的直径之差约1.5 c m~2 c m, 取实际钢束偏移误差t=0.3cm, 于是有曲率半径R=L2/ (4πt) =26.5m。对于跨径160m箱梁, 底板钢束采用15.24-19, 则q2=F/26.5=4452.8k N/26.5m=168.0kN/mq=q1+q2=226.8k N/m由此可以看出, 管道定位误差对钢束外崩力产生主要作用, 且是高度敏感的。

4 配筋计算算例

以前述跨径160 m、节段折线变化的箱梁为例, 取波纹管净距4 c m、结构重要性系数γ0=1.1、fsd=280MPa, 按式 (2) 、式 (4) 计算抗拉及防崩钢筋数量。 (1) 底板上、下层之间抗拉钢筋。箱梁节段接缝附近1 m范围, 按径向力q=226.8k N/m计算沿钢束管道每延米抗拉钢筋面积:A≥2.7γ0 q/fsd=24.1 cm2/m则16拉筋按17cm间距设置可满足要求。箱梁中间直线段部分, 径向力q=q2=168.0k N/m, 抗拉钢筋面积:A≥2.7γ0q/fsd=17.8cm2/m则16拉筋按22cm间距设置可满足要求。 (2) 防止钢束局部崩出 (剪出) 钢筋。实际设计中波纹管中心到混凝土边缘的距离t一般为14cm~16cm, 取t=1 4 c m, 波纹管外径d=1 1 c m, 根据式 (5) , t满足最小尺寸要求。根据式 (4) 计算抗局部崩出 (剪出) 钢筋A s v u。箱梁节段接缝附近1m范围, 按径向力q=226.8k N/m计算, Asvu≥3.55[γ0q-0.7ftd (t-0.5d) ]/fsv=17.8cm2/m, 16箍筋按22cm间距设置可满足要求。箱梁直线段部分, 径向力按q=168.0k N/m计算, Asvu≥3.55[γ0q-0.7ftd (t-0.5d) ]/fsv=9.62cm2/m, 16箍筋按4 1 cm间距设置可满足要求。由此得出, 箱梁节段接缝附近1m范围按间距17 cm、其他直线部分按间距2 2 c m, 在管道两侧设置1 6抗拉 (抗剪) 钢筋, 可以满足本算例假设误差条件下的抗崩裂要求。

5 有关设计、施工及加固处理建议

箱梁底板钢束张拉施工出现破坏的形式主要有3种:底板横向挠曲产生的纵向开裂、底板上下层之间分离、钢束局部崩出 (剪出) , 或者为它们的组合形式。针对这3种基本破坏形式, 提出4点计算分析建议: (1) 鉴于钢束定位误差对外崩力的高度敏感性, 建议采用容错设计, 计算考虑钢束误差3cm~5mm; (2) 对于底板横向挠曲产生的纵向开裂, 设计时要进行箱梁横向框架计算或空间计算, 考虑钢束径向力对箱体的影响, 要注意的是, 这种影响, 不仅可能产生底板纵向开裂, 还对腹板主拉应力计算产生影响; (3) 为防止底板上下层之间分离破坏, 建议按式 (2) 计算、配置抗拉钢筋; (4) 为防止钢束局部崩出 (剪出) 破坏, 建议按式 (4) 计算、配置抗剪钢筋, 按式 (5) 验算最小尺寸要求。式 (2) 计算的抗拉钢筋和式 (4) 计算的抗剪钢筋可相互起作用, 只需按两者的较大值设置即可, 但要注意钢筋-混凝土握裹传力模式的不同, 分别满足不同的构造要求。在设计方面, 提出4点建议: (1) 底板连续钢束以往多按平行于下缘布置, 由于管道之间及管道与下缘净距小, 不利于混凝土的浇注和密实, 建议适当加大管道之间及管道与下缘净距, 底板连续钢束可平行于上缘布置; (2) 对齿板处的钢筋布置细节应予以关注, 由于齿板处局部刚度增大、锚于齿板的钢束与继续通过该处的钢束形成对拉, 更易产生拉裂或剪出破坏, 齿板防崩钢筋与下缘防崩钢筋宜结合起来采用闭合箍筋; (3) 直线段钢束由于管道定位误差导致的崩裂破坏, 不但要计算、设置向下的防崩裂钢筋, 亦要注意向上的崩裂趋势和措施 (已有底板上缘破坏的实例) ; (4) 底板崩裂受钢束拉力影响大, 建议尽量控制底板连续钢束的规格和张拉力, 对于跨度小于160 m的箱梁, 建议应从下面几个方面来防止底板裂缝的出现: (1) 合理设置底板箍筋的间距和直径, 使箍筋产生的拉应力平衡大部分径向压应力, 同时还需增设短的弯钩钢筋, 增强箱梁底板上下层钢筋的整体性, 从而起到防崩的作用。 (2) 合理设计箱梁底缘的曲线, 将曲线从距原点一段距离开始设置, 避开曲率无穷大的区域, 曲线在合拢段两端的曲线半径尽可能大, 使钢束径向力降低到最小。 (3) 施工中应准确定位波纹管, 避免出现大的转角。 (4) 根据施工监控及时调整施工梁段的标高, 减少合拢段两端高差。 (5) 在跨中点增设横隔板, 以增强箱梁顶、底板的整体刚度

6 结语

本文归纳出箱梁底板钢束张拉施工中易出现的3种破坏形式和其中2种破坏形式钢筋计算公式。为便于使用, 公式的推导基于多种简化和假设, 仅用于箱梁底板连续钢束产生的外崩现象的实用计算, 精确分析则要采用空间模型。国内多座大跨度箱梁切割拆除情况表明, 箱梁底板上下层之间分离拉裂破坏 (破坏模式2) 已非常普遍, 而这些桥梁在拆除前并没有外观上的崩裂[2,3], 本文研究表明, 这种拉裂一般先于局部崩出 (剪出) 破坏控制设计, 这种现象应引起设计人员的注意。通过一个160m跨箱梁算例表明, 箱梁底板崩裂力与钢束定位误差是高度敏感的, 施工质量好坏起关键作用, 适度的容错设计非常必要。

摘要：结合国内几座大跨径连续刚构桥施工跨中底板预应力连续束时出现崩裂现象, 归纳出3种基本破坏类型:底板横向挠曲产生的纵向开裂、上下层之间分离拉裂和钢束局部剪出破坏, 并提出了相应的配筋计算公式和对策建议。

关键词：连续刚构,箱形梁,底板崩裂,原因与对策