預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋斜裂縫成因分析及加固設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋斜裂縫成因分析及加固設(shè)計(jì)

0預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋裂縫產(chǎn)生原因分析預(yù)制混凝土箱形連續(xù)梁橋因結(jié)構(gòu)光滑、抗彎、抗扭轉(zhuǎn)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是薄壁箱形結(jié)構(gòu)的空間受力情況非常復(fù)雜,而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論仍采用平面分析方法。用這種分析方法無(wú)法計(jì)及橋梁橫向的受力狀況,因而不能充分考慮剪力滯的影響。同時(shí),用平面方法設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理與實(shí)際情況偏差也比較大。箱梁板壁越薄、跨度越大,平面設(shè)計(jì)理論的簡(jiǎn)化引起的誤差也越大。事實(shí)上近幾年隨著預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋的大量應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)大部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋出現(xiàn)了裂縫。因此對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁橋采用空間理論設(shè)計(jì),找出預(yù)應(yīng)力箱形梁橋受力最不利位置極有必要。關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題也做了許多研究,發(fā)表了許多文章。這些研究對(duì)于橋梁產(chǎn)生裂縫的原因已經(jīng)分析得很全面,但基本局限在裂縫產(chǎn)生原因的感性分析上,缺少對(duì)于橋梁的空間受力情況的數(shù)據(jù)分析,對(duì)橋梁的受力缺乏全面詳細(xì)的了解。筆者利用虛擬層合單元方法對(duì)一座出現(xiàn)裂縫的橋梁進(jìn)行了全面的空間分析。找出了預(yù)應(yīng)力箱形梁橋出現(xiàn)裂縫的基本原因,還對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁現(xiàn)有的加固方案進(jìn)行分析,在加固方案的有效性方面做了一些探索。1加固前橋梁的評(píng)價(jià)筆者研究某城市高架的主干立交橋。該橋由一座主橋和東、西兩座匝道橋組成。這三座橋均為三跨變截面連續(xù)箱形梁橋。三座橋的跨長(zhǎng)相等,均按30+50+30m分布跨長(zhǎng)。主橋橫截面為一箱五室,匝道橋?yàn)閱蜗鋯问?。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-20、掛一100。三座橋的中支座處截面高度都為2.8m,邊支座處和中跨跨中都為1.5m。該橋在即將投入運(yùn)營(yíng)時(shí),發(fā)現(xiàn)三座橋都在中跨四分點(diǎn)附近的兩側(cè)腹板和底板上出現(xiàn)裂縫,且裂縫以跨中為軸對(duì)稱出現(xiàn),腹板裂縫呈現(xiàn)“八”字形,傾斜角度約45°。腹板主裂縫附近還有數(shù)條平行主裂縫的微小裂縫。腹板的裂縫寬度大于底板裂縫寬度。裂縫所在的位置及加固前橋梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置見圖1,在這種情況下對(duì)橋梁進(jìn)行了加固。為檢測(cè)橋梁在加固后的承載能力,對(duì)西匝道橋做了靜載和振動(dòng)試驗(yàn),對(duì)主橋做了靜載試驗(yàn)?，F(xiàn)以西匝道橋?yàn)榇?對(duì)橋梁進(jìn)行裂縫成因分析及加固評(píng)價(jià)。2裂縫原因分析2.1虛擬層合單元法對(duì)包含主梁及橋墩的整橋建立有限元模型。坐標(biāo)系按右手系建立,以縱橋向?yàn)閤軸方向,橫橋向?yàn)閥軸方向,橋面為xy平面,坐標(biāo)原點(diǎn)在端部截面的角點(diǎn)上(圖2)。有限元分析采用虛擬層合單元法。箱梁采用虛擬層合板殼單元,橋墩用虛擬層合三維梁?jiǎn)卧?共167個(gè)單元,1584個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)樘摂M層合單元可以對(duì)帶空心的截面進(jìn)行“夾空”或“補(bǔ)空”處理,所以加固前、后的橋梁可用相同的單元。支座處主梁結(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的橋墩結(jié)點(diǎn)連接;并約束橋墩底面結(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的位移為零。模型中不考慮普通鋼筋作用,將預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)化為集中力或均布力加到模型上,不考慮裂縫的影響。新老混凝土仍視為一個(gè)整體,后利用浙江大學(xué)交通工程研究所開發(fā)的USAP有限元計(jì)算程序得出計(jì)算結(jié)果。2.2固有頻率的計(jì)算測(cè)試是在橋梁加固完之后進(jìn)行的,計(jì)算也用橋梁加固后的有限元模型。(1)應(yīng)力比較:西匝道橋中跨跨中加載時(shí)各測(cè)試截面的正、剪應(yīng)力分別見表1、2。(2)西匝道橋固有頻率計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較見表3。由以上比較可見計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合,證明所采用的計(jì)算模型和計(jì)算理論都是比較有效的。因此,用該模型和計(jì)算方法來(lái)對(duì)加固前的橋梁進(jìn)行空間分析,以找出產(chǎn)生裂縫的原因。2.3x的應(yīng)力分析對(duì)加固前的西匝道橋進(jìn)行空間分析。根據(jù)裂縫出現(xiàn)時(shí)橋梁的實(shí)際受載情況,考慮四組載荷:預(yù)應(yīng)力筋N1～N5產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力、N8～N10和N6、N7產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力、橋梁自重和鋪裝層重。因N1～N5是在跨中合攏之前張拉的,所以N1～N5在跨中段不產(chǎn)生應(yīng)力。底板與腹板交線稱節(jié)線,節(jié)線位置見圖3。沿節(jié)線的σx分布見圖4。由圖4可以看到:全橋除支座處以外,σx在-8.0～2.75MPa之間變化,σx的最大拉應(yīng)力值2.75MPa出現(xiàn)在中跨四分點(diǎn)附近,已超過(guò)了C50混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。經(jīng)計(jì)算此處的主應(yīng)力方向與裂縫開裂方向一致,大小為2.92MPa,這說(shuō)明中跨四分點(diǎn)處的主拉應(yīng)力過(guò)大是結(jié)構(gòu)開裂的根本原因。從設(shè)計(jì)來(lái)看,斜裂縫的產(chǎn)生由以下三個(gè)方面的原因造成:①裂縫區(qū)域1號(hào)塊的彎矩雖小,但剪力較大,而此處未配豎向預(yù)應(yīng)力筋抗剪,造成了抗剪強(qiáng)度不足;②箱形結(jié)構(gòu)由于剪力滯效應(yīng),實(shí)際拉應(yīng)力大于按平面桿系設(shè)計(jì)計(jì)算值;③N10預(yù)應(yīng)力筋錨固后的拉應(yīng)力也是引起斜裂縫的原因之一。3預(yù)應(yīng)力鋼絞線底板加固該橋在箱內(nèi)加固,加固方式見圖5～7。加固分為兩部分:一部分是中跨底板加固,另一部分是裂縫處腹板加固。首先在箱內(nèi)澆混凝土加厚箱梁底板,在加厚的底板混凝土中布置底板預(yù)應(yīng)力筋束。然后在加厚的箱梁腹板上加預(yù)應(yīng)力粗鋼筋,對(duì)裂縫進(jìn)行局部加強(qiáng)。為增加新澆混凝土與原混凝土之間的粘結(jié)力,在新澆混凝土與原混凝土結(jié)合面上種植鋼筋,并涂了一層混凝土粘接劑。底板加固共用了14束預(yù)應(yīng)力鋼絞線(M1);腹板加固用了12根預(yù)應(yīng)力鋼筋(M2、M3)。對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行有限元分析,考慮的荷載作用有四項(xiàng),包括加固前橋梁的恒載及預(yù)應(yīng)力作用、加固后增加的混凝土的自重荷載、加固預(yù)應(yīng)力筋的等效外荷載以及試驗(yàn)荷載。其中試驗(yàn)荷載分兩種情況:第一種是按跨中最不利的情況來(lái)布置加載方案,稱為ZAI-1;第二種是按L/4最不利情況的布載,稱為ZAI-2。ZAI-1、ZAI-2分別見圖8的上、下部分。對(duì)加固后的橋梁考慮了兩個(gè)工況:工況1受ZAI-1作用、加固后橋梁的恒載及預(yù)應(yīng)力等效作用;工況2受ZAI-2作用、加固后橋梁的恒載及預(yù)應(yīng)力等效作用。從圖9、10來(lái)看,在按跨中、四分點(diǎn)最不利情況加載時(shí),除支座處外,橋梁的最大拉應(yīng)力不超過(guò)2.60MPa,這證明加固后橋梁已經(jīng)基本能滿足安全工作的要求。但從計(jì)算結(jié)果可見裂縫處經(jīng)加固雖然拉應(yīng)力減小很多,但未儲(chǔ)存壓應(yīng)力,裂縫沒(méi)有閉合。當(dāng)有較大的荷載作用時(shí),裂縫處仍為整座橋梁的薄弱環(huán)節(jié),一定情況下,原有的裂縫會(huì)繼續(xù)開裂。因此,加固的效果并不十分理想。出現(xiàn)這種情況的原因主要是底板加固給橋梁增加了大量的自重,這抵消了橋梁加固的實(shí)效。4設(shè)計(jì)結(jié)果分析從計(jì)算分析可見裂縫的產(chǎn)生并不是由偶然因素造成的,設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不完善是引起裂縫的主要原因之一?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法主要在以下幾個(gè)方面有不足之處:一是用平面桿系計(jì)算代替空間分析計(jì)算,這種做法在薄壁結(jié)構(gòu)中引起了較大誤差;二是在結(jié)構(gòu)計(jì)算中,抗剪計(jì)算不夠充分,導(dǎo)致抗剪鋼筋配置不足;三是預(yù)應(yīng)力引起的剪力效應(yīng)沒(méi)有得到充分