某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害成因及其安全性分析

田 青

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁院，北京 100055)

1 概述

本工程為一公路匝道橋梁，設(shè)計為單向2車道，設(shè)計荷載為汽-超20，驗算荷載為掛-120，梁跨布置為(39+45+39)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。開通運營5年后在日常檢查中發(fā)現(xiàn)箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫，經(jīng)專業(yè)機構(gòu)檢測，實測裂縫長度為1.1～2.5 m，縫寬為0.08～0.10 mm，最大深度為 31.5 mm［1-2]。結(jié)構(gòu)體系為按照《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土(A類)單箱單室等高度連續(xù)箱梁，梁頂寬9.5 m，梁底寬5 m，梁高2.2 m，箱梁腹板厚50 cm，頂板厚25 cm，底板厚20 cm。梁體跨中截面見圖1。梁體混凝土強度等級采用C50，預(yù)應(yīng)力筋采用Ry=1 860 MPa高強低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其布置方式為腹板縱向通長布置2×6根12-7φ5 mm鋼絞線，跨中區(qū)段底板布置8根7-7φ5 mm鋼絞線。該梁按A類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，在正常的施工和運營條件下，梁體混凝土?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力，但不應(yīng)該開裂。本文擬針對實測中發(fā)現(xiàn)的裂縫，進行裂縫成因分析，并對開裂后的結(jié)構(gòu)安全性進行檢算。

圖1 跨中截面(單位:mm)

2 正常狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)計算

2.1 荷載及其組合［3，5]

(1)結(jié)構(gòu)自重取混凝土容重為26.0 kN/m3，二期恒載為40.5 kN/m

(2)活載:汽-超20，掛-120

(3)基礎(chǔ)不均勻沉降1.5 cm

(4)混凝土收縮徐變:按《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)計算

(5)溫度差:①頂?shù)装鍦夭?℃;②頂板升溫5℃

(6)荷載組合

組合Ⅰ 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降

組合Ⅱ-1 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降+溫度①

組合Ⅱ-2 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降+溫度②

組合Ⅲ 恒載+掛車

2.2 主要計算參數(shù)

(1)預(yù)應(yīng)力計算參數(shù)［4，5]

錨下張拉控制應(yīng)力:1 357 MPa;

預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù):0.35;

管道偏差系數(shù):0.003;

計算混凝土收縮徐變影響時的階段劃分見表1。

表1 計算階段劃分

(2)計算截面

計算內(nèi)力時按毛截面考慮取全截面;

計算應(yīng)力時，按凈截面(管道壓漿前)和換算截面(管道壓漿后)，上緣計算寬度取8.5 m，下緣計算寬度取全寬;換算截面時未考慮普通鋼筋。

2.3 運營階段各跨計算應(yīng)力

(1)截面正應(yīng)力計算(表2)

表2 運營階段梁體正應(yīng)力 MPa

根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)，在使用荷載作用下，部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類受彎構(gòu)件法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定:

由表2可以看出，梁體正應(yīng)力計算結(jié)果均能滿足《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)要求。

(2)運營階段主梁最大主應(yīng)力

運營階段，主梁的最大主壓應(yīng)力為8.73 MPa，工況類型為恒載+汽車(最小剪力)，位于邊支座位置處，最大主拉應(yīng)力為-0.951 MPa，工況類型為恒載+掛車(最小剪力)，位于主跨跨中處。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)，在使用荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件主應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定:

計算結(jié)果表明運營階段主拉應(yīng)力滿足《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)要求。

以上計算結(jié)果表明梁體在正常的使用狀態(tài)最不利荷載工況下梁體下緣最大拉應(yīng)力為1.0 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的0.8Rbl，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，不應(yīng)出現(xiàn)多處位置開裂。

3 裂縫成因分析

根據(jù)梁體受力特點，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的原因有以下幾個方面［6，7]。

梁體自身因素:預(yù)應(yīng)力儲備不足，其原因可能是，施工時預(yù)應(yīng)力張拉不到位，摩阻損失或混凝土收縮徐變損失大于設(shè)計值。

外部因素:結(jié)構(gòu)使用階段實際應(yīng)力超出設(shè)計計算的最大應(yīng)力，達到和超過混凝土抗拉強度。主要因素有:摩阻損失、超載、溫度變化、基礎(chǔ)沉降等。

針對上述可能的幾種因素，計算結(jié)果見表3。

表3 主要印象因素下的下緣應(yīng)力增量計算 MPa

與設(shè)計的正常受力狀態(tài)下的應(yīng)力疊加后，跨中截面下緣混凝土拉應(yīng)力為3.2 MPa，大于Rbl=3.0 MPa。根據(jù)上述計算結(jié)果分析，導(dǎo)致梁體混凝土開裂的原因可能是摩阻損失、超載及上下緣溫差等因素中一個或幾個的組合，其中超載運營可能是主要因素。不考慮超載因素時，梁體下緣最大拉應(yīng)力為1.9 MPa，小于

4 開裂截面的應(yīng)力分析

根據(jù)對本橋梁體設(shè)計資料的分析，梁體縱向普通鋼筋配置可滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼筋配置要求。因此，對于開裂截面，如果在不計受拉區(qū)混凝土作用的情況下，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力滿足規(guī)范要求，即可認為該結(jié)構(gòu)滿足B類部分預(yù)應(yīng)力的要求。下面按照開裂截面對跨中截面進行應(yīng)力分析［8，9]。

跨中截面預(yù)應(yīng)力筋布置:2×6束12-7φ5 mm，8束5-7φ5 mm，Ay=0.025 76 m2

預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力取平均值бy

預(yù)應(yīng)力筋與混凝土彈模比取ny=5.714

開裂前的截面特性:

換算截面面積A0=Ah+(ny-1)·Ay

換算截面慣性矩I0

換算截面回轉(zhuǎn)半徑r2

換算截面重心距梁底e

預(yù)應(yīng)力筋重心距截面重心ey

預(yù)應(yīng)力筋重心距截面上緣hy

預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)壓力Ny=Ay·σy

截面消壓時預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量σy1=nyNy(1+e2y/r2)/A0

消壓時截面預(yù)壓力Ny1=Ay·(σy+σy1)

正常使用荷載作用下截面偏壓力作用點距截面上緣距離eN=M/Ny1-hy

為便于分析，將截面簡化等效為π形截面(圖2)。

圖2 簡化后的等效截面(單位:mm)

根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)附錄10，可試算得到開裂截面受壓區(qū)高度X=0.777 m，由此可得不計受拉區(qū)混凝土?xí)r的截面特性(圖3)。

圖3 開裂截面計算圖式(單位:mm)

A01=3.024 m2，I01=0.573 m4，C=0.297 7 m，e0=0.395 m

開裂后正常運營荷載作用下截面上緣混凝土應(yīng)力

開裂后的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量

開裂后預(yù)應(yīng)力筋總應(yīng)力

上述計算中忽略了普通鋼筋的作用，實際梁體預(yù)應(yīng)力筋總應(yīng)力應(yīng)略小于上述計算值。計算表明在正常運營條件下，即使梁體開裂，混凝土和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力均滿足規(guī)范關(guān)于B類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要求。

如果按照超載50%計算，開裂截面混凝土應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力分別為

即超載作用下，梁體預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力超過容許值。超載50%導(dǎo)致開裂截面上緣混凝土應(yīng)力增量為1.82 MPa，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量為125.2 MPa。

5 結(jié)論

以上分析計算表明，正常運營條件下梁體應(yīng)力小于規(guī)范容許值;運營階段多種不利因素疊加會使梁體混凝土應(yīng)力超過其抗拉強度，超載運輸可能是導(dǎo)致梁體開裂的主要原因;梁體開裂后，受拉區(qū)配置適量普通鋼筋的條件下，梁體混凝土和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力可滿足正常運營條件下B類預(yù)應(yīng)力混凝土的要求。截面開裂后，由于受拉區(qū)混凝土不再發(fā)揮作用，超載荷載拉應(yīng)力將由預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)。超載導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量比較明顯，當(dāng)超載較大時，開裂截面預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力超過規(guī)范容許值，表明在長期超載作用下，梁體會因預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞而破壞，即超載運輸將減少橋梁使用壽命。因此，在加強管理和維護，嚴格限制超載運營的情況下，對既有裂縫妥善封堵后，結(jié)構(gòu)的運營安全性是有保證的。

［1]中國公路工程咨詢總公司.寧波大榭公鐵兩用大橋檢測報告［R].北京:中國公路工程咨詢總公司，2007.

［2]中咨橋隧設(shè)計研究院有限公司.寧波大榭公鐵兩用大橋檢測報告［R].武漢:中咨橋隧設(shè)計研究院有限公司，2007.

［3]中華人民共和國交通部.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，1989.

［4]中華人民共和國交通部.公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，1989.

［5]中華人民共和國交通部.公路橋涵加固設(shè)計規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，2008.

［6]范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M].北京:人民交通出版社，2001.

［7]劉來君，趙小星.橋梁加固設(shè)計與施工技術(shù)［M].北京:人民交通出版社，2004.

［8]李輝.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的病害原因分析及加固設(shè)計［J].鐵道標準設(shè)計，2011(4):52-54.

［9]張力超，趙煜澄.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的加固設(shè)計與施工監(jiān)測［J].橋梁建設(shè)，2005(2):59-62.

［10]中國土木工程學(xué)會，等.部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計建議［M].北京:中國鐵道出版社，1985.

［11]交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范條文說明［S].北京:人民交通出版社.

［12]施順濤.淺議預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)加固方法［J].鐵道標準設(shè)計，2007(8):64-65.

［13]交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范條文說明［S].北京:人民交通出版社，1989.