Journal of Highway and Transportation Research and Development Vol.23No.6
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Jun.2006
文章编号：1002-0268（2006）06-0085-
04收稿日期：2005-03-25作者简介：赵启林（1972-），男，江苏淮安人，博士，副教授，主要研究方向为桥梁工程.（zhaohsql919@163.com ）
预应力混凝土箱梁桥施工中的
裂缝成因分析与修补
赵启林，周旺进，江克斌
（理工大学
工程兵工程学院，江苏
南京
210007）
摘要：针对预应力混凝土连续箱梁桥施工过程中箱梁悬臂端底板出现纵向裂缝的现象，在预应力张拉过程中采用光纤传感技术对悬臂端底板受力状态进行实时监测，将监测结果与拆模后的观测情形对比，证明此种监测方法能有效反映混凝土箱梁结构在施工过程中的响应。通过理论分析找出了底板裂缝成因，并利用有限元软件ANSYS 对整个施工结构进行数值模拟，得出不考虑混凝土箱梁与外模板之间摩擦作用时箱梁结构的应力、位移值，与实际观测结果比较吻合。最后，采用BICS 工法对梁体裂缝进行了修补。
关键词：桥梁施工；预应力混凝土连续箱梁；移动模架法；桥梁监测；底板裂缝中图分类号：U448.35
文献标识码：A
AnaIysis and Repair of SoIepIate Cracks of Pre -stressed Concrete Box Girder During Construction
ZHAO Qi -lin ，ZHOU Wang -jin ，JIANG Ke -bin
（Engineering Institute of Engineering Corps ，PLA Univ.of Sci.&Tech.，Jiangsu
Nanjing
210007，China ）
Abstract ：According to the phenomenon that soleplate cracks at the cantilever of pre -stressed concrete continuous box girder usually ap-pears during construction ，monitoring technique with optical fiber is used to monitor the mechanical status of the girder when pre -stress-ing.The comparison between monitoring result and observations on the spot shows that this kind of monitoring technique is proved to re-flect the real response of the box girder during construction effectively.Then ，through theoretical analyzing ，the cause of cracks is found.Furthermore ，the FE software ANSYS is adopted to analyze the whole construction structure ，and the stress and displacement of the concrete bridge are gotten without consideration of the friction between the girder and steel mould.Finally ，BICS technique is used to repair the cracks of the girder.
Key words ：bridge construction ；pre -stressed concrete continuous box girder ；movable scaffold system method ；bridge monitoring ；soleplate crack
移动模架法用于桥梁施工时，由于模架呈模块化移动、装卸，因而施工进度快，同时桥梁的外观与线型均容易保证，也不会出现跑模、漏浆等现象，更为关键的是移动模架是利用桥墩作为模架支撑点，所以在施工过程中对桥跨下部空间没有具体要求，特别适
合交叉道口、河道与滩涂等地点的桥梁施工，施工不影响交通，环境适应能力强。但是，移动模架施工与传统的满堂支架法等相比，存在着在弯桥上使用难度高、一次性投入大等缺点。利用移动模架法进行预应力混凝土连续梁桥施工时，预应力张拉过程易造成悬
1工程概况
某在建大桥为双向六车道高速公路桥，其南引桥的主梁形式为双向预应力单箱单室现浇连续箱梁，部分节段采用移动模架法施工。一次性浇注施工段长度达到59.8m，混凝土600m3，上部结构荷载最大1 600t，施工技术难度较大。移动模架是以固定在桥墩两侧的钢三脚架支撑2片钢箱梁，然后在钢箱梁上设置桥梁施工外模板的一种模架系统［1］，可沿桥梁纵轴线进行平移，施工结构布置如图1所示，每次浇注成的混凝土梁体伸出支座以外的长度为7.8m，以便在浇注下一跨时为移动模架提供后吊点。
图1移动模架法施工结构
Fig.1Construction structure of movable scaffold system method 利用移动模架进行连续箱梁现场浇注施工时，一般采用单悬臂转连续的施工方式，施工具体步骤见图2。首先在第1跨进行移动模架的安装，并在安装好的移动模架上进行第1单悬臂梁的浇注；养护7d后待混凝土强度达到设计强度的85%以后进行第1节段的预应力张拉，张拉采用在悬臂端单向张拉的方式；张拉完毕后，利用移动模架的纵向移动装置将模架移动到下一跨，进行钢筋捆扎、预应力钢束纵向连接，浇注混凝土，达到一定强度后再进行预应力的单向张拉；反复以上过程直到连续梁成型。
图2单悬臂转连续施工示意图
Fig.2Sketch of single cantilever to continuous construction
箱梁各部位结构混凝土的标号均为C50，预应力钢束直径15.24mm，其标准强度R b
y
为1860MPa。预应力管道采用塑料波纹管，波纹管直径根据钢束型号而定，并采用真空辅助吸浆工艺，所有夹片锚具均与
此工艺相匹配。张拉控制应力为0.75R b
y
，所有预应力钢束均采用张拉力与引伸量双控，引伸量控制误差在-5%～10%以内。所有预应力钢束和锚下垫板均与预应力钢束垂直。
2张拉过程中悬臂端底板的应力监测
在第1单悬臂梁浇注、张拉与拆模后，悬臂端底板发现了纵向延伸裂缝，裂缝在横向位于底板中间，裂缝长度一般为1～2m。为查明裂缝成因，在浇注第2悬臂段时，在悬臂端设置用于温度和应变测量的光纤传感器，对养护、张拉进行全过程跟踪。
2.1传感器布置
在悬臂端底板内布置了3个光纤钢筋应变传感器，2个内埋式混凝土应变传感器，3个用于温度补偿的光纤温度传感器。其中1个光纤钢筋应变传感器埋设于靠近底板的锚具正下方，沿桥梁纵向放置，测量该锚具下方在张拉过程中压应力变化，其余应变传感器均沿横向等间距放置，传感器的布置情况如图3。
图3底板的混凝土应变传感器
Fig.3Strain sensor in the soleplate
2.2应力监测结果
在混凝土浇注完毕后，养护期每天进行多次信息采集，发现结构应变随温度线性变化，并没有发生跃变情况。预应力钢束的张拉遵循严格的工序，如图4所示，即先腹板、后底板，先长束、后短束，箱梁左右腹板两侧钢束对称地同时张拉。在张拉全过程中，对悬臂端底板的应力、应变进行监测，其中底板3个测点的应变随张拉过程的变化趋势见图5。
图4张拉顺序示意图
Fig.4Sequence of pre-stressing
从图5可以看出，测点6与测点7的测值均出现跃变现象。测点6是在开始张拉第5束预应力钢束（见图4标注）时发生跃变，跃变时混凝土拉应力达到3.01MPa（C50混凝土弹性模量为35GPa，此时钢筋传感器的应变为86µε）；测点7是在张拉第6束预应力钢束（见图4标注）即将结束时发生跃变，跃变
68公路交通科技第23卷时混凝土拉应力达到3.85MPa（此时钢筋传感器的应变为110µε）。C50混凝土抗拉强度标准值为3MPa，由于此时混凝土的强度仅达到85%，所以其抗拉强度应为2.55MPa，说明混凝土已发生开裂。测点8处的拉应力虽然已经超过混凝土的抗拉强度，但是没有发生应变跃变，可能是混凝土离散性导致该点没有发生开裂。
图5底板横向应变随张拉工序的变化
Fig.5Change of transverse soleplate strain
when pre-stressing
移动模架拆除后，通过肉眼观察到悬臂端底板出现了沿桥梁纵向的裂缝，主要分布在底板位置，裂纹长度基本上在2m以内，用裂缝观测仪进行观测，测得裂缝宽度为0.05～0.7mm，裂缝开展情况见图6。由此可见，应力监测的结果与实际观测情况具有一致性，可见预应力张拉是导致底板开裂最本质的原因。
图6悬臂端底板裂缝分布
Fig.6Distribution of cracks in the soleplate
3张拉时箱梁结构性能与裂缝成因分析
根据裂缝是在端部预应力张拉后出现这一客观事实，参考相关文献［2～7］，可初步认为：梁体施加纵向预应力时，悬臂端会沿纵向产生压缩，由于泊松比的存在，端部底板、顶板与腹板都不可避免地出现横向拉应变，理式如下［8］
ε1=1
E
［σ1-v（σ2+σ3）］
式中，ε1为横向应变；σ1为横向应力；σ2为纵向应力；σ3为竖向应力；E为弹性模量；v为泊松比。
张拉时，腹板上张拉力平行于桥梁轴线，不会直接导致横向拉应力σ1的产生，但是由于纵向应力σ2和竖向应力σ3的存在，根据上式，同样可能导致悬臂端底板横向拉应变的出现。在设计过程中，出于减轻结构自重的考虑，往往底板设计得较薄，因而拉应变更容易超过限值而使底板出现开裂。
但是在该工程中，在结构体系转换、结构形式相同、预应力布置与大小相同情况下，满堂支架施工时却没有出现底板开裂现象，这与两种支架情况下，预应力张拉过程中自重荷载转移形式不一样有关。
在移动模架法中，悬臂端的外模板下面没有来自地面的支撑，处于一种悬空状态，其与混凝土梁组合成一种类似于叠合梁的结构形式。当施加预应力时，外模基本上会与混凝土梁协调变形，一起发生向上的位移，因此自重荷载在外模板上的分布基本上没有变化，悬臂端混凝土梁底板与外模板之间的正压力较小，从而横向的摩擦约束也就比较小，所以容易出现混凝土梁底板主拉应力过大的情况。张拉前后结构变形情况如图7所示。
图7移动模架施工张拉前后的结构形态Fig.7Structural conformation of movable scaffold before and
after pre-stressing
在满堂支架法中，悬臂端的外模下面有着密布支架的支撑，且施工前已通过堆载预压将地基压得比较密实，当施加预应力时，混凝土梁悬臂端由于跨中的反拱会向下运动，但是跨中支架反弹较小，模板与混凝土发生脱离，于是混凝土重量开始向两端转移，于是在悬臂端模板与混凝土梁底板之间产生相对较大的正压力，模板对混凝土梁底板的横向摩擦约束也就越大，所以底板的主拉应力相对较小，因此不容易出现裂缝。张拉前后结构变形情况如图8所示。
图8满堂支架施工张拉前后的结构形态
Fig.8Structural conformation of full-scaffold before and
after pre-stressing
可见，移动模架法施工中，在泊松比的影响下，纵向预应力导致的横向拉应变是底板开裂的本质原因，而移动模架外模板对混凝土箱梁底板的摩擦约束
78
第6期赵启林，等：预应力混凝土箱梁桥施工中的裂缝成因分析与修补不够是导致裂缝出现的直接原因。
4移动模架施工结构的有限元分析
为对采用移动模架法施工时混凝土梁悬臂端底板的应力、应变、位移情况有定量了解，采用大型通用有限元分析软件ANSYS对整个混凝土梁体和移动模架进行三维有限元模拟。考虑到整个施工结构沿桥梁
纵轴线的对称性，为减少单元数目，提高计算效率，只建立结构的1/2模型，如图9。
图9移动模架法施工结构的1/2有限元模型
Fig.9Half finite element model of movable structure
根据等效荷载法，施加预应力时，预应力钢束各转折处会对混凝土产生集中荷载，施加了预应力集中荷载的模型简图见图10。
图10等效荷载法示意图
Fig.10Sketch of equivalent load method
由于外模板对箱梁底板的摩擦约束很小，因此不考虑两者的相互摩擦作用。经计算得知，跨中反拱值为1.55cm，现场测得的跨中反拱值为1.6cm，二者比较吻合，这充分说明所建立的有限元模型能有效地反映实际结构。
悬臂端底板主拉应力最大值位于桥跨纵轴线处的下底面，其值为6.48MPa，大于C50混凝土的抗拉强度2.55MPa，因此会出现裂缝。由于构造原因，预应力管道附近产生应力集中，最大主拉应力达到13 MPa，会引起混凝土开裂，这与实际观测结果一致。
悬臂端底板较大主拉应力的影响区域见图11，影响区域沿桥跨纵轴线方向的长度大约为0.85m，在实际施工当中，由于裂缝的逐步开展，应力会逐步发生转移，转移到未开裂的部位，因此，实际开裂长度要偏长。悬臂端底板各测点的应力值随着预应力的逐步施加不断增长，如图12所示。各个测点应力在不考虑摩擦约束的情况下均超过了混凝土的抗拉强度。可见，有限元计算结果与实际监测结果具有一致的规律，进一步说明预应力是引起裂缝的直接原因。
图11悬臂端底板主图12底板横向应力
拉应力云图随张拉的变化趋势Fig.11Principal stress Fig.12Change of transverse
nephogram of soleplate stress in soleplate when pre-stressing 5裂缝修补
为保证工程质量，防止由于梁体裂缝而对桥梁寿命产生较大的影响，需对梁体既有裂缝进行必要的处理。采用日本SHO-BOND公司开发的BICS工法对梁体裂缝进行处理。BICS法所用的修补材料为BL-GROUT，其力学参数为：抗压能力>50MPa，抗剪能力>10MPa，抗压弹性模量>1000MPa，与传统的环氧树脂材料相比有明显的优点。
（1）良好的柔韧性。固化后仍保持一定的韧性，在裂缝受到冲击和振动时仍有良好的粘结力。
（2）良好的渗透力。灌注胶的黏度仅为300～500 cp，具有很强的渗透能力，保证注入后的结合强度和一体化效果。
（3）良好的抗收缩性。这种超低黏度的注入材料不含稀释性溶剂，固化后不发生收缩。
（4）瞬间固化。注入材料的固化过程分为两个阶段；在达到临界温度前，材料以液态存在；在达到临界温度后，材料在极短的时间内迅速固化，即刻达到最终强度的70%。因此，被修补的构件受到振动、冲击等均不会影响修补效果。
（5）出众的耐久性。材料硬化后具有极强的抗水性和化学稳定性，不会受雨水、海水、酸、碱溶液、二氧化碳等破坏，其寿命远大于混凝土结构本身。
处理时，利用合成橡胶管状注入器的自然弹性所产生的压力，将高分子树脂修补材料缓慢持续的压入裂缝中。橡胶管在整个注入过程中始终保持大约0.3 MPa的压力，使材料可注入到0.02mm的裂缝的末端。同时，缓慢均匀的压力可以有效地防止裂缝中积存的空气产生气阻，从而保证了修补质量。
6结论
（1）预应力张拉过程中对悬臂（下转第103页）
88公路交通科技第23卷各设计属性相对于每个方案属性的权重。权重值取决于案例库中案例的数目和分布。当案例库发生变化时，权重值也相应发生变化。
（4）根据（2）中得到的权重值，计算案例库中每个案例相对于新问题的相似程度，并按照相似度的高低进行排序。
（5）从案例库中选择相似度最高的N个案例（或相似度大于某个阈值的案例）作为候选案例。
（6）使用一定的规则，对所有候选案例的方案属性进行计算和综合，生成新的方案属性。
（7）使用规则库中的规则对新的方案属性进行校验，对不满足规则的属性值进行必要的修正和调整。
（8）输出桥梁绘图设计新问题的方案属性。
6结论
本文在对桥梁电子图重用技术进行系统研究后，建立了中小跨径桥梁绘图设计重用模型。该模型将桥梁重用模型分成图形库的形成、图形知识库的形成、桥梁图形知识表示以及桥梁图形知识的提取及派生，从而形成了桥梁图形数据的良好组织方法。在该模型的基础上，作者完成了中小跨径桥梁通用图图库管理系统，并提出了基于通用图图纸内容搜索的解决方案，将桥梁图形知识库的形成及桥梁知识的重用形成
一个整体。该模型的建立为中小跨径桥梁通用电子图的有效利用提供了新途径，对提高设计人员工作效率具有显著的意义。
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2002.
（上接第88页）
端底板应力进行监测，发现底板应力有超过混凝土抗拉强度的现象。实际观测到有沿桥梁纵轴方向的裂缝，说明光纤监测结果可反映实际情况。
（2）三维有限元计算得出的跨中反拱值为1.55 cm，实际测量值为1.60cm，二者吻合较好，说明有限元模型比较准确。
（3）不考虑混凝土梁底板与外模之间的摩擦作用时，靠近桥梁纵轴线的悬臂端底板部位主拉应力较大，最大值为6.48MPa。由于构造原因，预应力管道附近产生应力集中，因拉应力过大而出现裂缝，与实际观测结果比较一致。
（4）沿桥梁纵轴线方向，悬臂端底板较大主应力的影响长度为0.85m，实际裂缝长度不是很均匀，有的超过了0.85m，原因在于当最端部发生开裂后，应力会往跨中方向转移，导致开裂向跨中逐步扩展。
（5）鉴于悬臂端刚度不够的现状，建议将伸出支座以外的悬臂端长度减小，以减少悬臂端外模的竖向
位移，增加其对混凝土梁底板的约束，减少裂缝发生的可能性。
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第6期彭卫兵，等：中小跨径桥梁绘图设计重用模型下载本文
