单箱双室箱梁中腹板施工期裂缝成因分析

傅柏先 李守凯

1 绪论

从20世纪70年代开始,中国公路上开始修建大跨度预应力混凝土箱梁桥,进入20世纪80年代后,预应力混凝土连续箱梁桥和预应力混凝土箱梁连续刚构桥得到了迅猛发展,现已成为中国大跨度桥梁的主要桥型之一。随着桥面宽度的增加,单箱双室箱梁目前已被采用,但是通过现场工程调查发现,一些单箱双室箱梁施工期发生了开裂现象,特别是1号块,2号块的腹板下部位置,通常会开裂。

最早研究箱梁腹板开裂问题的是林同炎,他针对1979年和1982年美国Las-Lomas桥和Kapiolani立交桥腹板开裂事故进行了分析研究,指出早期预应力箱梁桥的设计忽略了预应力径向力对腹板的不利作用[1-3]。在认识到这个问题后,Caltrans[4]在20世纪80年代对此类曲线预应力箱梁桥的腹板厚度、钢束布置以及防崩钢筋设置等问题进行了研究,制定了供设计使用的图表。此后的预应力曲线箱梁桥设计中,人们都采取了特别措施防止此类问题的发生,我国工程设计和建设人员也对防止腹板开裂的设计和施工方法进行了总结和研究[5-7]。但是目前通过文献检索发现,单箱双室这种箱梁结构的裂缝成因分析方面的文献相对较少。

2 背景桥梁

桥梁工程上部结构:2×(3×50)预应力混凝土预制连续 T梁+(90+4×160+90)预应力混凝土连续刚构+2×(4×50)+(3×50)预应力混凝土预制连续T梁+(5×30+30)装配式预应力混凝土箱形连续梁。

桥梁工程下部结构:柱式墩、薄壁空心墩、肋式台、桩基础。桥面宽度:桥梁双幅总宽为34.5 m,单幅宽17.25 m。赵氏河特大桥桩基425根,承台57个,墩柱30个,薄壁空心墩54个,盖梁46个,主桥连续刚构6跨,预制30 m箱梁 60片,预制 50 m T梁272片,共计混凝土22万 m3,钢筋3万t,预应力钢绞线3 000 t。

大桥支座部位截面尺寸如图1所示。

3 裂缝描述发生类型

1)一些1号块和2号块的中腹板出现纵向水平裂缝。2)裂缝长度50 cm～200 cm不等,宽度在0.02 mm左右。3)距底板顶2 m位置。

4 现场传感器埋设

根据现场裂缝调查结果,采取混凝土传感器布设方案,1号～9号传感器按照一定的空间在平面内等间距排列(见图2),这样能够有效监测裂缝开裂、扩展对混凝土应力的影响。

4.1 箱梁中温度测试结果

每隔30 min进行温度应力测试,采集时间共计500 h,具体测试结果见图3。

4.2 箱梁中应力测试结果

1)混凝土弹性模量变化规律。假定混凝土浇筑后弹性模量是随时间变化的光滑连续函数,用如下的指数函数式求不同龄期的弹性模量。

其中,E(t)为不同龄期的弹性模量;E0为成龄期混凝土的弹性模量,按照规范取值即可;β,α均为经验系数,结合现场弹性模量实测数据;t为混凝土龄期,d。

根据施工现场的混凝土弹性模量实测值,可以推导出弹性模量表达式如下:

实测值和理论值的比较见图4。

2)强度发展规律。参照CEB-FIP(欧洲混凝土协会规范),考虑现场裂缝调查结果发现,混凝土裂缝出现在拆模之前,所以分析其原因极有可能是由于混凝土温度应力导致,箱梁中腹板模板拆模时间现场控制在混凝土浇筑后1天,所以通过混凝土强度发展曲线,可以求得1 d时混凝土抗压强度为15 MPa,则抗拉强度可取1.5 MPa。

3)测点应力分析。采用增量算法,考虑混凝土弹性模量的时变效应,混凝土强度的时变效应,通过分析应力时程曲线,发现1,2和3号应变测点的数据都相比其余的测点要大,且其数值接近混凝土24 h的抗拉强度。

5 结语

1)混凝土浇筑后发生了水化热反应,温度升高30℃左右。2)9个测点的最大温度发生在25 h左右。3)从9个测点的温度时程曲线分析,4,5和6号测点的温度差比其余测点要高些,而从实际箱梁的裂缝调查结果来看,4,5和6号测点刚好为1号箱梁中腹板裂缝出现的位置。4)由于中腹板的模板一般在混凝土浇筑后1天就拆模,而从温度测点的时程曲线来看,24 h刚好为混凝土水化热最为充分的时间段,此时拆模带来的最大问题就是箱梁中腹板内温度和环境温度相差会比较大,因为从温度时程曲线来看,最高温度为50℃,一般只有夏季炎热时间段,大气温度能达到30℃左右,所以工程上应该延缓箱梁1号块、2号块的模板拆模时间。5)从温度时程曲线分析来看,3 d左右时,混凝土温度会降低到30℃左右,此时拆模能够有效控制内外温差。6)距离单箱双室内箱梁底板1.8 m高处中腹板的1,2和3号应变测点的数据都相比其余的测点要大,且其数值接近混凝土24 h的抗拉强度。因此该位置较容易开裂。

[1] T.Y.Lin.International,Las Lomas Bridge-Causes of Structural Failure[R].Report to Department of Army,San Francisco District Corp.of Engineers,1979.

[2] T.Y.Lin.International,Interim Report-Kapiolani Interchange On-Ramp[R].Project No.I-HI-1(159):24,Hawaii DOT,1982.

[3] Podolny,W.The cause of cracking in post-tensioned concrete box girder bridges and retrofit procedures,PCI J,1985,30(2):82-139.

[4] Caltrans.Bridge Memo-to-Designers,Vol.1[M].California Department of Transportation,Sacramento,1996.

[5] 王爱梅,孙广华.曲线梁桥预应力钢索侧向崩出的预防[J].江苏交通科技,2000(5):17-19.

[6] 王钧利.曲线箱梁桥的病害分析及设计对策[J].中外公路,2005,25(4):102-105.

[7] 朱振锋.预应力平面曲线梁钢索侧向崩出的探讨[J].广东土木与建筑,2002(4):31-33.