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1.2 连续刚构桥主要病害

连续刚构桥采用墩梁固结,一般采用悬臂施工法。顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大,受力性能良好,顺桥向抗推刚度小,对温度、混凝土收缩徐变及地震影响均有利,但桥墩刚度较小,抗撞击能力较弱。连续刚构桥常使用变截面,适用跨度较大,在大型桥梁中使用较广泛,一般用于跨越大江、大河。

某高速上的一座连续刚构桥梁,其跨径组合为(140+240+140)m,某次检查后主要病害如下:

①箱内左幅中跨合龙段腹板、左右幅边跨梁端现浇段(32#块)腹板以及顶板均出现纵桥向裂缝或斜向裂缝,其中现浇段(32#块)共有 27 条竖向或斜向裂缝,顶板共发现 13 条纵向或斜向裂缝,中跨合龙段共有 14 条纵向裂缝,中跨 25#块处共有 7 条纵向或斜向裂缝,裂缝宽度为 0.05 ~ 0.10 mm。

②左右幅中跨跨中附近顶板、右幅第 3 跨(27 ~ 30#块处)顶板中线位置均有 1 条纵桥向裂缝,裂缝宽度为 0.05 ~ 0.13 mm,齿板裂缝。

③全桥部分横隔板人洞附近存在细小裂缝。

1.2.1 腹板裂缝

腹板裂缝按其产生的原因和部位不同,分为主拉应力产生的腹板斜裂缝、锚后拉应力产生的腹板斜裂缝、连续梁边跨端部腹板斜裂缝、竖向正应力产生的腹板水平裂缝以及竖向正应力和主拉应力作用下的腹板水平、斜向组合裂缝。

(1)主拉应力产生的腹板斜裂缝

预应力混凝土连续箱梁桥主要结构斜裂缝均分布于距支座 L / 4 附近的腹板上,约呈 45°分布,出现这种裂缝主要是由于箱梁支座附近剪应力过大、腹板抗剪能力不足,以及主拉应力方向抗裂安全储备不充分等因素所致。

预应力混凝土连续箱梁腹板斜裂缝沿预应力束管道走向发展,该类型一般在施工阶段产生。这种裂缝主要是由于箱梁腹板截面尺寸不够或预应力束张拉过大,使主拉应力方向抗裂安全储备考虑不充分等因素所致。

对于箱梁桥腹板来说,抗剪能力主要由混凝土本身的抗剪能力、纵向弯起束预应力产生的正应力和竖向非预应力钢筋网 3 个部分组成,前两者防止腹板开裂,后者控制腹板裂缝扩展且补偿纵向弯起束预应力空白区。

箱梁桥在弯矩、剪力和扭矩共同作用下处于复杂的空间受力状态,分析时腹板可以简化为平面应力状态,主要为腹板平面内的纵向正应力 σ x 、竖向正应力 σ y 和剪应力τ xy ,而横向正应力 σ z 以及剪应力τ xz 和τ zy 数值极小,可以忽略不计。

按照梁截面周边刚性的假定,即箱梁截面形状在变形过程中保持不变,箱梁桥腹板的 σ y = 0,在腹板的上下缘τ=0,中性轴附近剪应力最大,腹板中性轴附近主拉应力最大,如果主拉应力超过混凝土的极限抗拉强度,腹板就会产生斜裂缝。

施加足够的纵向预应力和竖向预应力可以达到腹板抗剪的目的,但竖向预应力钢筋比较短,锚具预应力损失大,施工上具有一定的难度,导致竖向预应力效果较差。同时,箱梁桥设计时纵向预应力束配置不合理,纵向预应力束往往不进行弯起布置,使得箱梁桥腹板中易形成主拉应力空白区。另外,目前设计时没充分考虑箱梁桥的斜截面抗裂能力,非预应力钢筋特别是腹板中的箍筋和弯起钢筋设计往往较少,在主拉应力较大区,一旦竖向预应力损失过大,斜截面抗剪承载能力将严重不足,从而导致腹板出现斜裂缝。

(2)锚后拉应力产生的腹板斜裂缝

采用悬臂浇筑法施工的预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁,在悬臂分段浇筑中,锚头往往布置在接缝面。在接缝面新浇混凝土的强度降低很多,如果在此锚固预应力钢筋,将在锚固区引起局部高压应力而导致蠕变,锚头后面将产生拉应力,如果锚后受拉钢筋配置不足,则锚固区的接缝就很容易发生裂缝。

后张法构件的锚头局部承压区,在其纵向长度大致相当于一倍梁高的端块内,在靠近垫板处产生横向压应力,其他部位产生横向拉应力,当锚具的吨位很大时,有可能导致构件纵向开裂。

(3)连续梁边跨端部腹板斜裂缝

经调查发现,连续梁边跨已发生腹板斜裂缝,其裂缝形态与腹板斜裂缝差不多。连续梁边跨一般是在支架上现浇,剪力较大,同时巨大的支座反力靠腹板传递,而端部腹板往往没有配置弯起束,以致不能抵抗主拉应力,易产生裂缝。

(4)竖向正应力产生的腹板水平裂缝

该类裂缝主要发生在边跨支座附近和中跨 ~ L 处,且均位于腹板上缘。

对大跨度混凝土箱梁桥,在荷载作用下,箱梁桥已发生畸变,腹板易产生竖向正应力,由于板上缘处剪应力为 0,主拉应力方向与腹板竖向方向基本相同,因此上缘易产生水平裂缝。

(5)竖向正应力和主拉应力作用下产生的腹板水平、斜向组合裂缝

这种病害裂缝主要发生在边跨支座附近和中跨 ~ L 处,水平裂缝位于腹板上缘,斜裂缝约呈 45°分布,该类裂缝是斜向正应力和主拉应力共同作用下的结果。

1.2.2 顶底板裂缝

箱梁桥受到畸变和横向弯曲的作用,在其顶板和底板易产生裂缝。

(1)齿板裂缝

预应力混凝土箱梁齿块后的底板横向裂缝属于预应力作用产生的受力裂缝,裂缝方向与主拉应力有关,一般与桥纵轴线呈 30° ~ 45°斜向腹板两侧发展。若齿板靠近梁段接缝,则有可能向接缝发展,并可能扩展至腹板内,该类裂缝初期发展很快,裂缝宽度较大,对结构受力有一定影响。

在预应力混凝土箱梁设计中,梁体纵向预应力钢束往往需要由箱梁腹板、底板或顶板内伸出进入混凝土齿板,纵向预应力钢束张拉后锚固在齿板后端。

伸入混凝土齿板的预应力钢束一般采用曲线或弯起段采用曲线后接直线的形式,以使齿板混凝土承受曲线预应力钢束作用的均匀径向压力。

通常,在施工过程中,为了施工方便,齿板内曲线预应力钢束一般做成折线形式,这样便会在转角处产生集中力,而不是设计之初的均匀径向压力,一旦施加预应力,便会在齿板与底板交界处产生裂缝。

对后张预应力结构,预应力通常由锚具传递给混凝土,随着大吨位预应力的使用,锚下混凝土承受很大的局部压应力和应力集中,常常伴随劈拉应力,如果在设计和施工中未重视,则有可能导致裂缝的产生。

(2)曲索转向受力裂缝

当箱梁底板的预应力钢筋弯起到腹板处锚固时,钢筋布置要经过平直和弯曲段,中间必然有一个转角,会在底板产生横向拉力,致使底板可能产生纵向裂缝。

(3)底板波纹管下方混凝土保护层过薄导致开裂

变高度预应力混凝土箱梁的底板在垂直平面处具有一定的曲率,预应力钢束一般按这种曲率布置,在张拉底板束时会产生向下的径向分布荷载,如果底板保护层过薄,波纹管下方混凝土未振捣密实,底板上下层未设置足够的架立抗拉钢筋,则容易产生底板混凝土保护层劈裂。

1.2.3 横隔板裂缝

该类裂缝主要包括桥横隔板孔洞周围放射性裂缝和孔洞之间的竖向裂缝。

箱梁桥横隔板孔洞的放射性裂缝主要由孔洞周围应力集中产生,孔洞之间的竖向裂缝一般产生于支座处的横梁,主要由支座反力引起,类似于轴向受压构件在轴向压力作用下产生的劈裂裂缝。

1.2.4 跨中下挠

(1)自重

自重是引起长期变形的主要荷载,主要是由施工造成的,首先是大体积混凝土浇筑过程中模板易产生变形,导致局部混凝土超方;其次是桥梁线形控制不佳,需要超方混凝土进行调平,这导致桥梁自重超过设计重量,相应导致恒载变形增大。

1)混凝土超方对长期挠度的影响

假定在施工过程中,现浇混凝土超重 1%、2%、3%、4%、5%,分别计算得到不同超重比例下中跨长期变形值,发现不同超重条件下的长期变形增大比例与施工时超重的增大比例基本成正比,且这一比例基本不变,即施工每超重 1%,长期变形会增大 1.37%左右,长期变形增大速度大于超重增加的比例。

2)桥面铺装层厚度超厚对长期挠度的影响

假定设计铺装层厚度为 8 cm、14 cm和 20 cm,实际不均匀铺装厚度按12.5 cm和 11.8 cm分别考虑,得到跨中长期变形趋势,发现桥面铺装层越厚,初期上拱量越小,后期下挠值越大,桥面铺装层每增加 6 cm,10 年后长期挠度增加 0.5 ~0.6 cm,增加幅度为 32.2%~ 34.3%,增加幅度与桥面铺装层厚度的增加量基本成正比。

将桥面铺装层厚度换算成重量,得到各桥面铺装层下桥梁总自重,设计桥面铺装层折算成平均桥面厚度约 13.1 cm,与桥梁总重相比,当桥面铺装施工正常平顺时,厚度每增加 6.7%,长期挠度会增加 33%~ 34%,可见桥面铺装不平顺,尤其是跨中范围内铺装层过厚对长期下挠会产生很大影响。

由于长期下挠与桥面铺装层厚度基本成正比,因此桥面铺装折算成桥梁自重每增加 1%,长期下挠会增加 4.9%,桥面铺装层超重的影响远大于箱梁现浇超重的影响。

(2)预应力

预应力能抵消桥梁变形,但预应力损失比较明确,其损失包括两部分,一是在预应力施加阶段产生的,主要是摩阻与锚口损失;二是后期损失,主要由混凝土发生收缩徐变引起。预应力损失一旦过大将不能抵御外荷载产生的拉应力,从而使梁体开裂,导致桥梁长期变形。

1)预应力度与梁长期变形的关系

小跨径桥梁与大跨度桥梁中恒载、活载对关键截面的弯矩效应比例并不相同,随着跨径增大,活载所占比例下降,恒载相应比较高,总体而言,小跨径桥梁活载弯矩会大于 30%,大跨度桥梁活载弯矩小于 10%,主要是恒载弯矩起主导作用。

桥梁长期下挠的根本原因是恒载弯矩与预应力弯矩偏差所引起的混凝土徐变效应,随着跨径增大,预应力很难完全抵消恒载弯矩,必然发生长期挠度增加。

2)预应力损失对长期挠度的影响

桥梁设计中预应力作用与恒活载作用相互平衡,在使用过程中,预应力损失的大小会对长期下挠产生较大影响。计算结果表明,当预应力损失扩大 5%后,成桥 10 年后挠度达 3.26 cm;当预应力损失扩大 10%后,成桥 10 年后挠度达到 3.66 cm。预应力损失每增大 10%,挠度会增加 0.7 ~ 0.8 cm。到了成桥30 年,预应力损失每增大 10%,挠度会增加 0.8 ~ 0.9 cm,增幅趋于平缓。

总之,预应力损失对大跨度混凝土梁桥长期下挠的影响非常明显,主要是预应力损失增大后,预应力效应与恒载效应不匹配,两者差值扩大,并且随着跨径的增大,这一效应将放大,由此导致的结构长期下挠增大。

(3)混凝土弹性模量

混凝土弹性模量随着混凝土龄期的增长逐渐增大,弹性模量是影响梁体变形的主要因素。我国这几年的建设主要以工期为控制目标,混凝土中一般都加入早强剂,但不影响混凝土弹性模量,节段浇筑的悬臂梁往往在前一阶段强度达到 70%后便浇筑下一阶段混凝土,造成的后果是强度虽然达到了要求,但弹性模量仍较低,变形较大,对主梁的变形有一定影响。

(4)徐变系数

徐变系数是混凝土徐变量的一个重要参数。徐变系数的取值直接影响徐变变形及预应力损失计算。低应力情况下,徐变系数与混凝土应力无关,随着预应力的增大,梁体中的混凝土应力相对比较大。徐变系数对长期变形的影响不可忽略。

混凝土具有徐变和收缩特性,收缩作用主要体现在梁体的缩短,对大跨度梁桥的挠度影响不大,由于有弹性挠度存在,徐变对大跨度梁桥的变形有较大影响。

1)混凝土徐变终极值对变形的影响

规范规定,C50 混凝土 10 000 d的徐变终极值为 2.04,将徐变终极值分别增加 20%、40%、60%、80%,计算得到跨中长期挠度,徐变终极值增大 1.2 倍时,10 年后的长期下挠达到之前的 1.5 倍;当增大 1.4 倍时,长期下挠增大至 2.1倍;当增大 1.8 倍时,长期下挠达到 4.35 倍。

2)混凝土加载龄期对长期变形的影响

为了赶工期,混凝土加载龄期都比较早,弹性模量偏低,徐变系数本身会增大,必然会引起下挠。施工时,加载龄期较早的节段,其徐变变形仅受相邻下一节段混凝土湿重及施工荷载影响,当施工相邻第二个节段时,徐变系数大的节段随着龄期的增长,其徐变系数已恢复至正常变化水平。因此,早期徐变系数较大对长期下挠的影响较小,主要体现在当前施工阶段。

(5)梁体开裂

梁体开裂后将产生 3 个效应:一是开裂后梁体截面的惯性矩降低,降低了梁体刚度,增大了变形;二是会导致应力重分布;三是裂缝两端刚体发生转动。这些因素都将导致梁体产生变形。 HSmA0ZOO3uKMW6ktrbaKMz26CcMpY2kFr+3j/rsA8nA+8jQINscLgK5I9/lHZI/n

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