预应力混凝土小箱梁跨中裂缝成因分析与加固方案比选

2016-11-08 12:03薛达王石磊冯海龙
铁道建筑 2016年10期
关键词:边梁防撞梁体

薛达,王石磊,冯海龙

(1.广州交投城市道路建设有限公司,广东广州510000;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)

预应力混凝土小箱梁跨中裂缝成因分析与加固方案比选

薛达1,王石磊2,冯海龙2

(1.广州交投城市道路建设有限公司,广东广州510000;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)

预应力混凝土小箱梁由于其构造简单、施工方便等特点被广泛应用到公路工程中。某高速公路桥梁定期检查时发现,预应力混凝土小箱梁普遍存在边梁跨中腹板斜向开裂现象。本文对病害成因进行分析,并提出粘贴钢板、体内预应力加固和体外预应力加固3种加固方案,通过加固前后荷载试验对各方案的加固效果进行了评估。

预应力混凝土小箱梁;腹板斜向开裂;加固方案;效果评估

1 桥梁概况

某高速公路大桥上部结构采用17×25m简支后张法预应力混凝土小箱梁,横向布置15片梁。梁高1.05m,中梁宽1.49m,边梁宽1.495m,顶部设10cm厚现浇混凝土整体化层。桥面为双向8车道,铺设8cm厚沥青混凝土铺装层。每跨跨中防撞墙设置2cm宽的锯缝。该桥按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 023—1985)设计,设计荷载为汽-超20、挂-120,于2002年建成。梁体一般构造见图1。

图1 梁体一般构造(单位:cm)

定期检查时发现该桥内外侧边梁跨中腹板存在斜向开裂现象(见图2),部分裂缝已延伸至倒角或梁体底板,部分梁体底板横向裂缝甚至与两侧腹板贯通,呈U形,裂缝最大宽度0.41mm,危及桥梁运营安全。

图2 边梁跨中腹板斜向开裂

2 病害成因分析

利用有限元软件MIDAS Civil/2015对该桥原设计状态进行结构验算,在正常使用极限状态下,边梁及次边梁的上下缘法向应力计算结果见表1。可见边梁与次边梁的受力状态均满足JTG 023—1985要求,但安全储备不大。

表1 正常使用极限状态下法向应力计算结果(1.0倍设计活载参与作用)MPa

结构病害的出现主要有如下原因:

1)超载作用。结合该高速公路超载现状,考虑1.3倍的活载超载系数,利用MIDAS Civil/2015对该桥原设计状态进行结构验算,验算结果见表2。可见,原设计状态在考虑超载车工况的情况下,梁体下缘拉应力超限,导致梁底横向开裂、腹板竖向开裂。

2)小箱梁跨中防撞墙锯缝设置不合理。文献[1]表明,防撞墙与小箱梁截面积相差不大时,防撞墙与梁体共同受力,并在一定程度改变梁体的受力特性。防撞墙在跨中设置锯缝后,边梁截面特性发生突变。一旦荷载超过梁体承载力,裂缝将向这一薄弱截面发展,从而导致边梁腹板斜向开裂。

表2 正常使用极限状态下法向应力计算结果(1.3倍设计活载参与作用)MPa

3 加固方案

由于小箱梁防撞墙锯缝设置不合理,加固时凿除跨中两侧各0.5 m范围内的防撞墙并重新施作,在取消防撞墙中央锯缝的基础上提出3种加固方案。

1)粘贴钢板加固。对底板出现横向开裂的混凝土小箱梁粘贴纵向钢板,对跨中区域出现斜向开裂的腹板粘贴U形钢板,以限制裂缝的发展并适当提高结构安全储备,最终使上部结构的受力性能达到B类构件的设计要求。

2)体内预应力加固。在小箱梁腹板外侧加大截面,埋设预应力索,待加大截面混凝土达到强度后,张拉预应力,增加梁体下缘压应力储备,最终使梁体的受力性能达到设计要求。

3)体外预应力加固。在小箱梁的端部和四分点处设置锚固块和转向块并穿设成品钢绞线,待锚固块和转向块达到设计强度后张拉体外预应力,增加梁体下缘压应力储备,最终使梁体的受力性能达到设计要求。

4 加固方案比选

通过试验跨加固前后荷载试验,对3种加固方案的实际加固效果进行评估。荷载试验部分测点布置见图3。

图3 跨中测点布置(单位:cm)

1)受力情况。试验跨加固前后1#~3#梁跨中截面最大级荷载下梁体底缘平均应变对比见表3。

表3 最大级荷载下梁体底缘平均应变对比×10-6

由表3可知:在最大级荷载下,加固后试验跨1#~3#梁跨中截面底缘实测应变幅值接近,3种加固方案均可对原结构受力起到改善效果;3种加固方案跨中截面底缘平均实测应变幅值分别降低66%,63%,15%。

2)预应力度。试验跨3#梁底缘测点3-1~3-3加固前后实测应变与荷载效率关系曲线见图4。从图4可知:加固前随着荷载效率的增加,实测应变值呈非线性快速增长,部分测点存在退化现象,说明梁体预应力度不足导致梁体开裂,且在第一级荷载作用下,梁体已经开裂。

图4 加固前后梁体底缘应变与荷载效率关系曲线

加固后上述试验跨应变幅值均显著下降,但粘贴钢板后梁底实测应变与荷载效率的线性关系仍不佳,该方案不能改善原结构的预应力度;张拉体内预应力后,梁底实测应变与荷载效率的线性关系良好,可以有效改善原结构的预应力度;张拉体外预应力后,梁底实测应变与荷载效率的线性关系仍不佳,但梁体开裂时机明显后移,可以对原结构预应力度不足现象起到一定的改善作用。

3)梁体刚度。试验跨加固前后1#~3#梁跨中实测挠度对比见表4。从表4可知:在最大级荷载下加固后试验跨1#~3#梁跨中截面实测挠度接近,3种加固方案均可对原结构刚度起到提升效果;3种加固方案跨中截面平均实测挠度分别降低32%,32%,7%。

表4 加固前后梁体跨中实测挠度mm

4)施工便捷性。3个加固方案中,粘贴钢板最为便捷,其次是体外预应力,最后是体内预应力。

综上分析,采取粘贴钢板方案对梁体进行加固。

5 结论

1)设计时应充分考虑超载作用及防撞墙锯缝位置对小箱梁受力的影响。

2)粘贴钢板、体内预应力加固及体外预应力加固3种加固方案均可改善梁体受力状况,采用粘贴钢板方案对梁体进行加固更为合适。

[1]严国兵,高岩.预制小箱梁受力性能评估及特殊病害成因分析[J].铁道建筑,2013(8):1-5.

[2]冯海龙,高岩,胡强.预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析[J].铁道建筑,2015(11):21-23.

[3]陈韵,刘伯奇.预应力混凝土连续箱梁加宽改造后安全评估[J].铁道建筑,2015(6):24-26.

[4]中华人民共和国交通部.JTJ 021—1989公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,1989.

[5]中华人民共和国交通部.JTG 023—1985公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,1985.

[6]中华人民共和国交通部.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]中华人民共和国交通部.JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

(责任审编李付军)

Causes Analysis of Crack in Mid-span of Prestressed Concrete Small Box-girder and Selection of Reinforcement Schemes

XUE Da1,WANG Shilei2,FONG Hailong2
(1.Guangzhou City Road Construction Co.,Ltd.,Guangzhou Communication Investment Group,Guangzhou Guangdong 510000,China;2.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

Small prestressed concrete small box-girders are widely used in highway due to their simple structure and convenient construction.During a regular inspection of a highway bridge,diagonal web cracks at midspans of the side girders were inspected and regarded as a common disease.In this paper,the cracking causes were analyzed.T hree reinforcement schemes were proposed:reinforcement with steel plates,extra prestress and external prestress.T he reinforcement effect was assessed through experimental tests.

Prestressed concrete small box-girder;Diagonal web crack;Reinforcement scheme;Effect assessment

U445.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.03

1003-1995(2016)10-0010-03

2016-05-13;

2016-06-22

薛达(1987—),男,助理工程师,硕士。

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