預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋斜裂縫成因分析及加固設(shè)計

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，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)計理論仍采用平面分析方法。用這種分析方法無法計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,用平面方法設(shè)計對預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理與實際情況偏差也比較大。箱梁板壁越薄、跨度越大,平面設(shè)計理論的簡化引起的誤差也越大。事實上近幾年隨著預(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。因此對預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁橋采用空間理論設(shè)計,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)裂縫的問題也做了許多研究,發(fā)表了許多文章。這些研究對于橋梁產(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,缺少對于橋梁的空間受力情況的數(shù)據(jù)分析,對橋梁的受力缺乏全面詳細的了解。筆者利用虛擬層合單元方法對一座出現(xiàn)裂縫的橋梁進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,還對預(yù)應(yīng)力橋梁現(xiàn)有的加固方案進行分析,在加固方案的有效性方面做了一些探索。1加固前橋梁的評價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。三座橋的跨長相等,均按30+50+30m分布跨長。主橋橫截面為一箱五室,匝道橋為單箱單室。設(shè)計荷載等級為汽-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。該橋在即將投入運營時,發(fā)現(xiàn)三座橋都在中跨四分點附近的兩側(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,在這種情況下對橋梁進行了加固。為檢測橋梁在加固后的承載能力,對西匝道橋做了靜載和振動試驗,對主橋做了靜載試驗。現(xiàn)以西匝道橋為代表,對橋梁進行裂縫成因分析及加固評價。2裂縫原因分析2.1虛擬層合單元法對包含主梁及橋墩的整橋建立有限元模型。坐標系按右手系建立,以縱橋向為x軸方向,橫橋向為y軸方向,橋面為xy平面,坐標原點在端部截面的角點上(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單元,共167個單元,1584個節(jié)點。因為虛擬層合單元可以對帶空心的截面進行“夾空”或“補空”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)點與對應(yīng)的橋墩結(jié)點連接;并約束橋墩底面結(jié)點三個方向的位移為零。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整體,后利用浙江大學交通工程研究所開發(fā)的USAP有限元計算程序得出計算結(jié)果。2.2固有頻率的計算測試是在橋梁加固完之后進行的,計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各測試截面的正、剪應(yīng)力分別見表1、2。(2)西匝道橋固有頻率計算與實測值比較見表3。由以上比較可見計算值與實測值基本吻合,證明所采用的計算模型和計算理論都是比較有效的。因此,用該模型和計算方法來對加固前的橋梁進行空間分析,以找出產(chǎn)生裂縫的原因。2.3x的應(yīng)力分析對加固前的西匝道橋進行空間分析。根據(jù)裂縫出現(xiàn)時橋梁的實際受載情況,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)在中跨四分點附近,已超過了C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值。經(jīng)計算此處的主應(yīng)力方向與裂縫開裂方向一致,大小為2.92MPa,這說明中跨四分點處的主拉應(yīng)力過大是結(jié)構(gòu)開裂的根本原因。從設(shè)計來看,斜裂縫的產(chǎn)生由以下三個方面的原因造成:①裂縫區(qū)域1號塊的彎矩雖小,但剪力較大,而此處未配豎向預(yù)應(yīng)力筋抗剪,造成了抗剪強度不足;②箱形結(jié)構(gòu)由于剪力滯效應(yīng),實際拉應(yīng)力大于按平面桿系設(shè)計計算值;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,對裂縫進行局部加強。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)。對加固后的橋梁進行有限元分析,考慮的荷載作用有四項,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荷載。其中試驗荷載分兩種情況:第一種是按跨中最不利的情況來布置加載方案,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。對加固后的橋梁考慮了兩個工況: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來看,在按跨中、四分點最不利情況加載時,除支座處外,橋梁的最大拉應(yīng)力不超過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,但未儲存壓應(yīng)力,裂縫沒有閉合。當有較大的荷載作用時,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效。4設(shè)計結(jié)果分析從計算分析可見裂縫的產(chǎn)生并不是由偶然因素造成的,設(shè)計計算方法的不完善是引起裂縫的主要原因之一。現(xiàn)有的設(shè)計方法主要在以下幾個方面有不足之處:一是用平面桿系計算代替空間分析計算,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)計算中,抗剪計算不夠充分,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)沒有得到充分