潘锋肖光宏张秋陵

(重庆交通大学,重庆400074)

摘要:腹板裂缝的出现对桥梁的工作性能和承载能力产生了很大的影响。在归纳总结前人经验的基础上,从某桥的实际工程入手,结合裂缝分析理论,对此连续刚构桥梁腹板裂缝的分布、产生、发展做了较为详细的阐述,并对其成因做了进一步的分析。

关键词:连续刚构桥;腹板裂缝;实际工程;成因;分析

中图分类号:U443.32文献标识码:B文章编号:1673-6052(2009)01-0106-03

1工程概况

某大桥为坐落在长江中上游上的一座公路桥,其主桥为跨径115.5+210+115.5m的预应力混凝土连续钢构体系。桥面宽度净9+2@1.5m,箱梁宽度12.5m,为单箱单室断面,箱宽6m,两侧翼缘各宽3.25m,箱梁底板厚度由根部的1.2m(1#块)向跨中渐变为0.32m(23#块),腹板厚度分别为1#~13#块0.7m,14#~23#块0.5m,顶板厚度0.25m,承托处加厚至0.9m。箱梁预应力体系为纵、横、竖三向预应力:纵向预应力的顶板束为每束25根515.24钢绞线,张拉力4888k N,断面锚固4束;底板束为每束25根515.24钢绞线,张拉力4301k N,边跨从14#块~ 21#块,中跨从10#块~22#块均施加有底板预应力,一个断面锚固1束;横向预应力为每束2根515.24钢绞线,张拉力391kN,间距0.5m;竖向预应力为532精轧螺纹粗钢筋,纵向间距0.5m,一侧腹板2排,单根粗钢筋的张拉力为540kN。箱梁从2004年12月开始1#块施工,2005年10月完成最后一个块件的悬臂浇注,2006年上半年竣工,2006年11月完成荷载试验,随后通车。

2裂缝分布情况

2006年大桥竣工前检查箱梁时发现箱梁腹板有裂缝,腹板裂缝分布情况如下:

除1#墩边跨外,在1#墩中跨的第10#与11#块、2#墩中跨的9#块以及2#墩边跨的9#块均出现裂缝,各块件裂缝均出现在距箱梁底板下缘2.5~3. 7m范围内(腹板中部),其倾角(与水平线的夹角)为10b~20b度,且各块件腹板均只有一条裂缝,裂缝的形状、裂缝的长度以及在块件中的位置见图1。3裂缝成因分析3.1裂缝特征与引起开裂的主要因素

引起混凝土结构产生裂缝的原因很多,诸如结构受载过大、混凝土收缩与徐变、混凝土温度变化伸缩、施工质量等,这些因素中,裂缝的出现可能由一种或几种因素共同作用产生,但无论是何种因素,归结起来,都是由于在某一时刻(或某一时段)混凝土所受到的拉应力超过了混凝土当时的抗拉强度而开裂,分析开裂的原因,就是要找出引起混凝土拉应力大于其强度极限的主要因素。

从本桥箱梁腹板裂缝的现状看来,具有以下特征

:

1-立面2-平面

图1箱梁腹板裂缝位置

(1)普遍性:全桥4个悬臂中的3个悬臂的箱梁上下游腹板均开裂;

(2)位置统一性:裂缝均出现在第9#、10#块件的中部,且裂缝距箱梁底板下边缘的高度均在2.5 ~3.7m范围内,接近箱梁截面形心;

(3)形状统一性:各腹板裂缝均为头大、腹更大、尾细的蚯蚓形;

(4)倾斜度统一性:各腹板裂缝的倾斜度均向悬臂施工时的悬臂端方向降低倾斜,与水平线的夹角在10b~20b之间;

(5)钙化统一性:各腹板裂缝均出现灰白色钙化物质。

以上特征表明,全桥腹板裂缝具有明显的规律

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#北方交通2009

性与系统性,说明裂缝不是由偶然因素引起,而是系统的因素引起。从裂缝钙化情况看,裂缝不是近期产生的,而是早期产生的。进一步分析裂缝的形状,其前部与中部大,后部纤细,且大致水平,表明裂缝是从前部被拉裂。

对于本桥的箱梁结构,没有竖直方向的等值反向外拉荷载,开裂方向也没有预拉力,故可判定引起开裂的主要原因,不是结构的外力,也不是预拉力,而是内力。再从裂缝分布的规律性,系统来看,开裂拉力具有场的分布,是一种或几种场力,产生场力的因素有三种:¹混凝土自身的收缩;º混凝土徐变;»温度变化。在这三项因素中,徐变亦不可能是主要因素,因为徐变是在受力的情况下产生,而开裂部位并未受到竖直方向的外拉力,排除徐变因素后,再结合裂缝的系统性及前部大、后部纤细的形状特征,可以判定引起腹板开裂的主要因素应为混凝土的收缩与温度变化产生的拉应力。3.2 裂缝的产生过程

当块件混凝土浇注后,一方面由于其收缩受到交界面的约束,从而产生收缩约束张力(约束拉应力),收缩约束张力在腹板内聚集收缩变形能,另一方面,由于块件在升温很快、气温相对较低的季节浇注,后一块件浇注时,前一块件体温底,后一块件由于有水化热,体温相对较高,两块件从大气吸热达到平衡前,前一块件的吸热量大于后一块件,前一块件对后一块件会产生胀裂作用,这样胀裂作用仍然通过变形能倾存于后一块件内,且在升温季节与夏季不会消除。

随着时间的增长,块件收缩量越来越大,尤其是两块件由于龄期差产生的收缩量差越来越大,在后一块件体内聚集的变形能越来越大,从而产生的拉应力越来越大,由于收缩变形随时间增长,当某一时刻拉应力超过腹板混凝土的抗拉强度时,腹板便被拉裂。由于块件交界面形心处的水平面的拉应力最大,故腹板在此水平面附近开裂。由拉应力分布图可知,拉应力靠交界面最大,远离交界面小,裂缝应从交界面处裂开,并应大致水平,但事实上,腹板混凝土并非各向同性的匀质弹性材料,在腹板内可能存在非匀质薄弱面,裂缝首先从薄弱面裂开,并延薄弱面开展,裂缝出现的时间与薄弱面的薄弱情况相关,越薄弱,出现越早,反之越晚。3.3 裂缝的发展阶段

(1)开裂阶段(第一阶段)

腹板开裂后,开裂面的应力释放,成为自由边,

由于自由边不再有粘结力,块件为上下两部分,自由边分别向上下两部分的中心收缩,使裂缝越来越宽。同时,开裂面应力释放后,应力场发生改变,在开裂面内,由开裂前的分布相对均匀改变为开裂后的向裂纹尖端集中,裂纹尖端拉应力集中导致裂纹迅速开展。

(2)悬臂浇注发展阶段(第二阶段)

裂缝出现时,大桥施工仍在悬臂浇注阶段,该阶段,随着箱梁各后续块件施工,裂缝处的剪应力有所增加,拉应力无明显变化,裂缝发展的主要动力仍是收缩拉应力。裂缝随着收缩变形进一步变长、变宽、呈蚯蚓形。

(3)底板束张拉后及运营阶段(第三阶段)

当箱梁合拢,底板束张拉完成,全桥竣工后,运营状态开裂部位微小单元的应力情况如图2:

由图2a 知,在运营阶段,开裂部位的单位应力为:

竖直截面:正应力²1=-14.14M Pa(压应力)

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107#第1期 潘 锋等:某连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析

剪应力S 1=2.67M Pa (绕脱离体顺时针)水平截面:正应力²2=-2.31MPa (压应力)剪应力S 2=-2.67M Pa (绕脱离体逆时针)由摩儿圆计算得的开裂面(与水平面呈10b 夹角,其法线方向与竖直面的法线呈A =70b 夹角)的应力为:

正应力²=-5.14MPa(应压力)

剪应力S =5.85MPa(绕脱离体逆时针)开裂面剪应力S =5.85M Pa ,具有较强的剪裂效应,无疑对裂缝的开展会起到推波助澜的作用。此阶段(第三阶段)主要是箱梁底板束的集中力引起开裂面的剪应力,使裂缝进一步开展。此阶段前期由于块件混凝土连续收缩以及底板束施加的预应力(尤其是10#块、11#块齿板束)使裂缝进一步开展,后期随着块件龄期达到200d 以上,收缩基本稳定,裂缝随之稳定,不再开展。

4 结语

(1)此大桥箱梁腹板出现的裂缝其分布有规律性、系统性、普遍性、并均出现在初春气温由低向高变化较快的时节(2005年3月19日~4月12日)施工的块件(9#、10#、11#块件),引起开裂的拉应力来自两个方面:

¹块件混凝土收缩时,开裂块件受到前一块件的约束作用以及由该两个块件龄期差异导致的收缩

量差的附加约束作用产生的拉应力。

º两块件从大气中的吸热量差产生的前一块件

对开裂块件的胀裂作用的拉应力。即收缩约束拉应力和吸热量差拉应力,前者随时间增长,后者产生的周期短(数天,且不会消除)。

(2)收缩约束拉应力各块件均存在,吸热量差拉应力仅出现在春季的快速升温时季,虽然由两种拉应力组合在一起使腹板开裂,但仅前者不足以产生裂缝,故后者是主要因素。

(3)箱梁底板束在开裂处会产生较大剪应力,对裂缝开展具有推波助浪的作用。

(4)开裂块件截止目前已有两年半的龄期,收缩早已稳定,裂缝不会继续开展。

参考文献

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A nal ysi s of R easons for Crack of Box Bea m

W eb o f a Certa i n Conti n uous R i g i d-Fra m e

Abstr act W eb crack w ill have great influence on wo r k i n g perfo r m ance and beari n g copacity of bridge .On t h e basis of summ ing up the experiences of predecessors ,proceed w ith so m e bridge practica l eng ineeri n g ,i n teh light

of crack theo r y ,the paper particu larl y elabo rates t h e distribution ,occurrance and developm en t o f the w eb crack and f u rther analyses their causes .

Key wor ds Conti n uous ri g id fra m e bridge ;W eb car k ;Practical eng ineeri n g ;Reasons ;Analysis

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