箱梁底板崩裂处理及防范措施探讨

白金增 周指示

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

箱梁底板崩裂处理及防范措施探讨

白金增 周指示

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

结合工程实例，借助实体有限元仿真分析软件，分析了箱梁底板崩裂病害的成因，并介绍了病害补救措施，提出了混凝土箱梁底板设计与施工的注意事项，对处理类似工程问题有一定借鉴意义。

箱梁，预应力，病害

预应力混凝土结构具有跨越能力强、适用性好、节省材料等优点，被广泛应用于大、中跨桥梁上部结构中。常用的预应力混凝土截面形式包括T形、π形及箱形。箱形截面由于具有较强的承受正负弯矩的特性，且抗扭刚度较大，被广泛应用。

近年来，变截面连续箱梁在底板预应力钢束张拉时频频出现底板混凝土崩落的现象，引起桥梁工程人员对这一问题的关注。

1 典型病害形式

混凝土箱梁底板崩裂的病害形式有：底板纵向开裂，底板上、下层混凝土大面积分离，钢束局部崩出。一般认为，底板崩裂的主因是预应力的径向外崩力，径向力主要来自于钢束的设计平竖弯曲及施工定位偏差引起的局部弯曲[1]。

1)底板纵向开裂。在径向竖向力作用下，底板出现横向挠曲，中部下缘和支点上缘受拉。当混凝土应变超出材料极限时，则出现纵向开裂。箱室越宽、底板钢束离腹板愈远，越明显。2)底板上、下层混凝土大面积分离。箱梁底板上、下层混凝土受钢束径向力的影响，出现上下层分离的趋势。当径向力大于混凝土粘结力和联系钢筋的拉力时，底板混凝土将出现开裂分层，箱梁表现为大面积起鼓或大块脱离。当预应力管道布置密集时，管道对截面的削弱较大，更容易出现此类病害。3)钢束局部崩出(剪出)。相对于混凝土的大面积分离，在局部外崩力的作用下，易出现单根钢束崩出病害。当外崩方向混凝土保护层厚度较小、受力钢筋配置不足、混凝土质量存在缺陷时，较易出现。

2 病害实例

2.1 桥梁总体布置

某跨河桥主桥为3跨刚构桥，纵向分孔为(33+50+33)m。主墩为墩梁固结的斜腿刚构，中、边跨均带有20 m挂孔。

V形斜腿支点距离为16.75 m，主梁采用变截面预应力混凝土箱梁，单箱单室截面，跨中和支点梁高分别为1.2 m和2.4 m，箱梁底缘线采用抛物线。箱梁按照全预应力构件设计，配有顶板束(10束7Φs15.2)和底板束(10束7Φs15.2)。桥梁立面布置示意图见图1，底板预应力布置见图2。

2.2 病害情况

箱梁预应力设计采用先顶板后底板的顺序对称张拉，在底板钢束张拉到第8根时，箱梁底板混凝土开始出现崩裂，施工单位随即停止张拉操作。

经检查发现，箱室内部混凝土无明显病害，底板混凝土大面积脱落：纵桥向脱落范围为跨中两侧各3 m～4 m，横桥向混凝土几乎完全脱落；波纹管明显外崩下挠，与底板混凝土完全分离；底板底层钢筋网纵向钢筋受压屈曲，横向钢筋下挠严重，底板联系钢筋被拉直失效(见图3，图4)。

3 事故分析

本例属于典型的底板上、下层混凝土大面积分离的病害形式。病害处理前，先借助有限元软件对箱梁受力状态进行分析。

3.1 有限元模型

借助ANSYS建立箱梁实体有限元模型，取箱梁半结构建模，考虑自重和预应力外荷载。模型假定施工状态与设计一致，无施工偏差。不考虑混凝土的压碎和开裂，混凝土用Solid95单元模拟，钢筋和预应力钢绞线采用Link8单元模拟。

3.2 分析结果

1)跨中底板横向应力见图5。由结果输出可见，箱梁底板横向挠曲受拉：中部下缘最大拉应力为6.0 MPa，两边上缘最大拉应力为4.6 MPa。2)跨中截面竖向应力分析见图6。总体来看，跨中截面上层混凝土竖向受拉，下层混凝土竖向受压。并且，在钢束部位存在应力集中，最大拉应力达到1.7 MPa。模型中未模拟波纹管预留孔，若考虑孔洞对底板的削弱，竖向拉应力将更大。

由计算结果推测，本例箱梁底板在横向及竖向应力综合作用下，箱梁底板将出现纵向裂缝和上下分层，最终导致大面积混凝土脱落。

4 处理措施

综合有限元分析及现场病害表现，本例主要采用的处理措施有：跨中增加横隔板，提高箱梁整体性，控制底板变形；加强底板上下层钢筋的联系，增加防崩钢筋，预防混凝土分层。

在CD阶段，釜内甲烷气体在高压和低温环境的双重作用不断成核、生长为水合物，釜内压力快速下降。并且在CD段不同体系的温度曲线均出现3～4个拐点，说明此阶段均出现了3～4次较快规模的水合物生成，反应过程中积聚的放热量使釜内温度出现了短暂的升高。随着反应的进行，釜内的实验曲线不断接近相平衡曲线，说明此时釜内的甲烷水合反应已经完成，反应体系为甲烷气-水-水合物三相状态。

具体施工步骤：

1)放张箱梁底板全部预应力钢束。

2)在跨中浇筑混凝土横隔板。

3)在底板安装防崩钢筋，复位联系筋、箍筋、横向钢筋。

4)重新立模浇筑底板混凝土。

5)混凝土养护、预应力张拉。

5 建议

基于本例处理经验及分析结果，提出以下注意事项，建议在设计和施工时参考。

1)在设计方面： a.建议适当控制底板钢束的规格和张拉力，尤其避免采用过大的底板钢束。b.箱梁设计时，应加强底板配筋的验算。c.箱梁底板厚度不宜过小，预应力钢束横向净距宜适当加大。d.底板应配足上下层联系钢筋，并增加U形防崩钢筋防止局部崩裂。文献提供了联系钢筋和防崩钢筋的配筋数量的计算方法，可供参考。e.变截面箱梁跨中是底板预应力径向崩裂最容易发生的部位，可以考虑增加横隔板或横向加劲肋，以增强箱梁整体受力性能。

2)在施工方面：a.定位钢筋的间距要适当加密，减少管道定位偏差。b.确保竖向联系钢筋施工质量，绝不能按一般撑筋控制。c.确保立模质量，避免模板出现折角突变，导致应力外崩力剧烈增大。

3)发生底板崩裂事故后，应根据其病害形式，采取有效的措施加固处理[3]：a.对于横向挠曲病害，以加强底板横向抗弯能力为主，如加大底板厚度、底板下缘粘贴横向钢板、增设横隔板及加劲肋。b.对于上下层之间的分离病害，可采用高强螺栓夹持钢板的方式加固。c.对于局部崩出病害，视病害严重程度，局部封闭和加强。

对于变截面箱梁，当底板配置预应力时，由于其径向力的效应，容易造成底板的崩裂病害，在设计及施工中应给予重视。本例中采用的底板崩裂病害补救方法可供设计人员借鉴。

[1] 王标新,马希田.变截面连续刚构桥跨中底板崩裂的防范措施.中外公路,2010(4)：179-181.

[2] 彭元诚.连续刚构桥箱梁底板崩裂原因分析及对策.桥梁建设，2008(3):67-78.

[3] 娄晟嘉,杨吉新.预应力混凝土连续刚构桥底板脱落成因分析.中外公路,2010(6):190-193.

On treatment and prevention measures of bursting crack in bottom slab of box girder

Bai Jinzeng Zhou Zhishi

(AnhuiCommunicationPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230000,China)

Combining with engineering examples, the paper analyzes the reasons for the bursting crack in bottom slab of box girder with the finite element simulation software, introduces the maintenance measures, and points out the precautions in the bottom slab design and construction of the concrete box girder, so it is meaningful for similar projects.

box girder, prestress, diseases

2015-09-13

白金增(1984- )，男，硕士，工程师； 周指示(1978- )，男，硕士，高级工程师

1009-6825(2015)33-0170-03

U445.71

A