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東莞石龍南二橋裂縫成因分析

2013-01-17 03:29:28李濟(jì)民
城市道橋與防洪 2013年6期
關(guān)鍵詞:畸變腹板總數(shù)

李濟(jì)民

(東莞市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,廣東東莞 523125)

0 前言

廣東東莞石龍鎮(zhèn)南二橋跨徑組合:5×13 m+3×30 m+52 m+80 m+52 m+5×30 m+8×16 m,全長(zhǎng)640 m。主橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土三跨連續(xù)梁橋。橋?qū)挘簝?2 m+2×2.0 m(人行道)+2×0.25 m(欄桿),全寬16.5 m。設(shè)計(jì)荷載:汽車(chē)—20級(jí),掛車(chē)—100,人群3.5 kN/m2。1997年竣工通車(chē),運(yùn)營(yíng)后對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)主跨預(yù)應(yīng)力箱梁兩側(cè)腹板出現(xiàn)大量的剪切裂縫,寬度多數(shù)超過(guò)0.2 mm,個(gè)別達(dá)0.5~0.65 mm,70%以上集中分布在80 m主跨距支座13~30 m的范圍,并呈明顯的對(duì)稱(chēng)性,對(duì)稱(chēng)于橋跨中線和路線中線。圖1為南二橋主跨和典型截面圖。

圖1 石龍南二橋主跨和典型截面圖(單位:cm)

1 主跨裂縫統(tǒng)計(jì)

(1)在52 m+80 m+52 m主跨裂縫統(tǒng)計(jì)中,從裂縫的寬度來(lái)看,在整個(gè)箱梁中共發(fā)現(xiàn)了2321條裂縫,其中寬度小于0.2 mm的裂縫有1721條,占裂縫總數(shù)的74.15%;寬度介于0.2~0.5 mm的裂縫有563條,占裂縫總數(shù)的24.27%;寬度大于0.5 mm的裂縫有37條,占裂縫總數(shù)的1.59%。其中,在箱梁腹板所發(fā)生的869條裂縫中,寬度小于0.2 mm的裂縫有647條,占裂縫總數(shù)的74.45%;寬度介于0.2~0.5 mm的裂縫有211條,占裂縫總數(shù)的24.28%;寬度大于0.5 mm的裂縫11條,占裂縫總數(shù)的1.27%。在箱梁頂板內(nèi)表面和底板外表面所發(fā)生的1379條裂縫中,寬度小于0.2 mm的裂縫有1055條,占裂縫總數(shù)的76.5%,寬度介于0.2~0.5 mm的裂縫有317條,占裂縫總數(shù)的22.99%;寬度大于0.5 mm的裂縫有7條,占裂縫總數(shù)的0.51%。

(2)從裂縫總體走向上看,腹板中絕大多數(shù)裂縫為與水平線斜交的斜裂縫,箱內(nèi)和箱外腹板的斜裂縫數(shù)量分別占到各自裂縫總數(shù)的95.13%和99.23%,其余裂縫基本為與水平線基本平行的水平縱向裂縫。裂縫在數(shù)量、走向兩方面基本對(duì)稱(chēng)箱梁軸線分布。箱內(nèi)頂板表面的裂縫絕大多數(shù)為順橋向的縱向裂縫,占到了頂板裂縫總數(shù)的92.24%,存在少量斜裂縫,占頂板裂縫總數(shù)的7.45%。箱外底板裂縫多數(shù)為順橋向的縱向裂縫,占箱外底板裂縫總數(shù)的55.39%,而斜裂縫的數(shù)量也不少,占底板裂縫總數(shù)的44.11%。

2 南二橋受力分析[1,2]

為了對(duì)南二橋進(jìn)行分析建立下列模型:

(1)平面桿件模型。計(jì)算徐變、收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響:該模型共73個(gè)節(jié)點(diǎn),72個(gè)單元,分15個(gè)施工階段模擬施工程序。該模型考慮了徐變、收縮、預(yù)應(yīng)力損失(見(jiàn)圖2)。

圖2 第15個(gè)施工階段中跨合攏(平面)

(2)板殼模型。該模型有19319個(gè)節(jié)點(diǎn),20898個(gè)板單元,6466個(gè)梁?jiǎn)卧T撃P陀昧簡(jiǎn)卧M預(yù)應(yīng)力鋼筋,用降溫的方法模擬預(yù)應(yīng)力,從而進(jìn)行施工分析,計(jì)算結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)(見(jiàn)圖3)。

圖3 板殼模型

3 裂縫成因分析[3,4]

(1)溫度對(duì)頂板裂縫的影響

溫度對(duì)南二橋頂板裂縫的影響,主要計(jì)算橫向溫差應(yīng)力,故采用下面幾種模式。頂板溫差按公路04規(guī)范(a)線性分布和(b)矩形分布、頂板溫差按鐵路規(guī)范三種模式模擬(見(jiàn)圖4)。

圖4 邊跨截面頂板內(nèi)表面溫度分析比較

圖4中的某些計(jì)算點(diǎn)出現(xiàn)異號(hào)現(xiàn)象。部分計(jì)算值在采用鐵路規(guī)范計(jì)算時(shí)的主拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度(2.65 MPa),會(huì)引起橫向開(kāi)裂。

(2)畸變和橫向彎曲對(duì)頂板裂縫的影響

分析畸變和橫向彎曲對(duì)頂板裂縫的影響,比較畸變和橫向彎曲產(chǎn)生的橫向應(yīng)力大小。通過(guò)模型二剝離開(kāi)畸變和橫向彎曲產(chǎn)生的橫向應(yīng)力(見(jiàn)圖5)。

圖5 邊跨截面畸變和橫向框架效應(yīng)產(chǎn)生的橫向應(yīng)力比較分析(單位:MPa)

從圖5中可見(jiàn),橫向彎曲對(duì)裂縫的形成起主導(dǎo)作用,它產(chǎn)生的橫向應(yīng)力大小是畸變產(chǎn)生的4.8倍作用,最大可達(dá)到5.9倍,橫向彎曲和畸變聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的橫向作用更大,是橋梁產(chǎn)生順橋向裂縫的原因。

(3)剪力滯對(duì)頂板裂縫的影響

在組合一(自重+預(yù)應(yīng)力)作用下,頂板縱向正應(yīng)力值分布不均勻,即剪力滯效應(yīng)使得頂板腹板相交處縱向壓應(yīng)力增大,它對(duì)頂板裂縫產(chǎn)生起到一定的促進(jìn)作用(見(jiàn)圖6)。

圖6 中跨截面剪力滯效應(yīng)

(4)豎向預(yù)應(yīng)力筋損失對(duì)腹板裂縫的影響

對(duì)于縱向配直線束的布束方式,對(duì)建立縱向有效預(yù)應(yīng)力有利,而剪應(yīng)力需通過(guò)配置密排豎向預(yù)應(yīng)力束來(lái)克服,豎向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置能顯著地減少或消除主拉應(yīng)力。

豎向預(yù)應(yīng)力筋與縱向預(yù)力筋相比有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):第一,豎向預(yù)應(yīng)力筋短,與軸向預(yù)應(yīng)力筋相比達(dá)到相同的應(yīng)力水平,其彈性變形要小得多;第二,豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固端沿腹板軸向排列,而縱向預(yù)應(yīng)力筋的錨固端是排列在箱梁的某個(gè)截面上,充分考慮了縱向預(yù)應(yīng)力的彈性壓縮損失的計(jì)算,但對(duì)豎向應(yīng)力的彈性壓縮損失沒(méi)有作特別的說(shuō)明,縱向預(yù)應(yīng)力的彈性壓縮損失是基于一維桿件軸向壓縮計(jì)算得出的。很明顯,縱向預(yù)應(yīng)力的彈性壓縮損失計(jì)算方法不能用于豎向預(yù)應(yīng)力彈性壓縮損失計(jì)算。在確定豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力時(shí)必計(jì)算彈性壓縮損失。但目前豎向預(yù)應(yīng)力彈性壓縮損失的計(jì)算大多參考縱向預(yù)應(yīng)力的彈性壓縮計(jì)算方法。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo),豎向預(yù)應(yīng)力損失達(dá)50%,近年來(lái)修建的多向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁大多數(shù)在腹板產(chǎn)生了不同程度的裂縫,豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大、腹板的豎向預(yù)應(yīng)力彈性壓縮損失估計(jì)不正確是產(chǎn)生裂縫的重要原因之一。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)頂板和底板的裂縫,主要是橫向彎距產(chǎn)生的,即橫向彎曲和畸變的聯(lián)合效應(yīng),其中橫向彎曲起主導(dǎo)因素,它產(chǎn)生的橫向應(yīng)力大小是畸變產(chǎn)生的4.8倍,最大可達(dá)到5.9倍,建議施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋來(lái)平衡這些力。

(2)腹板裂縫主要是構(gòu)造不合理和豎向預(yù)應(yīng)力筋配置不足且損失過(guò)大而產(chǎn)生的。腹板縱向預(yù)應(yīng)力筋布置方式和豎向預(yù)應(yīng)力大小對(duì)腹板斜裂縫的產(chǎn)生影響較大。

(3)為控制箱梁的裂縫,除預(yù)應(yīng)力配束合理外,還要在腹板內(nèi)配置一定數(shù)量的箍筋與彎起鋼筋,如雙肢箍筋,并且腹板厚度不宜太薄。在箱梁的頂?shù)装逡O(shè)置一定數(shù)量的分布鋼筋和收縮溫度鋼筋。

[1]JTG D60—2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTGD62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

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