雙孔箱形框架橋裂縫原因分析及修補方法

梁 勁

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

雙孔箱形框架橋裂縫原因分析及修補方法

梁 勁

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

某高速鐵路段內雙孔箱形混凝土框架橋中腹板位置處產生較大裂縫，加之雨水侵蝕，滲水嚴重。通過有限元模型的數值模擬，分析了該裂縫產生的原因及如何有效控制裂縫的修補措施。檢算結果表明，采用橫撐修補法可以有效控制裂縫，達到恢復框架橋中墻耐久性和使用性的目的。

鐵路工程 框架橋裂縫 有限元模型 橫撐修補法.

1 概述

裂縫是混凝土構件普遍存在的一種現象，鐵路橋梁、隧道、涵洞、框架橋的裂縫屢見不鮮。裂縫的出現，降低結構的防水性、耐久性和承載能力，也給結構的整體外觀造成不良影響。對于鐵路工程而言，如何阻止或減緩裂縫的產生和發展以及裂縫出現后及時整治，并且不影響整體結構的安全和使用壽命，是一項嚴峻、緊迫而又復雜的系統工程[1-3]。

某高速鐵路段內雙孔箱形框架橋中腹板位置處產生較大裂縫，加之雨水侵蝕，滲水嚴重，如不采用有效的保護加固措施，將會產生嚴重的不良后果，影響行車安全。針對該工程實例，探討鐵路框架橋中出現裂縫后的原因分析及修補方法，并檢算橫向支撐法是否可以較好的控制已有裂縫寬度，達到恢復框架橋墻體耐久性和使用性的目的。

2 產生裂縫原因分析

該框架橋為鋼筋混凝土箱式結構，混凝土設計標號為C30，框架橋長16 m，分四節，首節、末節均長3 m，框架橋分兩孔，孔徑尺寸為6.4 m×7.6 m。經過驗算，該框架橋現有配筋等設計本身完全滿足規范對于橋涵裂縫、強度的規定[5-6]。因此，考慮主要是由于該框架橋在施工時，沒有及時回填雙孔土方導致框架橋中腹板處產生較大裂縫。

為驗證上述原因，現設計兩組對比工況，并利用有限元板單元進行數值模擬計算。

2.1 計算模型

數值模擬計算采用空間有限元法，選取6 m寬的典型涵段建立有限元模型，框架橋涵采用MIDAS板單元模擬。全橋涵計算模型如圖1。模型節點總數為1328，劃分單元模型單元數為1 235個。工程地質資料如表1所示，根據地基土情況，邊界條件采用面彈簧約束底板豎向(彈簧彈性模量由土體模型計算求出)，并在端部約束水平向及縱向。

圖1 計算模型圖

表1 框架橋涵地質資料

2.2 荷載工況及荷載組合

根據框架橋裂縫產生的可能原因，設計兩組對比工況，選用MIDAS板單元進行有限元模擬計算，分析裂縫生成的原因。具體工況設計如下。

(1)設計荷載

自重、二期恒載、土壓力、活荷載等。

(2)荷載組合

工況① ：自重+二恒+擋土墻土壓力(采用等代土層法[4]考慮車輛荷載作用)

工況② ：自重+二恒+擋土墻土壓力(采用等代土層法[4]考慮汽車荷載作用)+單側回填土壓力

2.3 數值模擬結果分析

(1)內力計算結果

現提取兩組工況下的內力計算結果，見圖2～圖5。

圖2 荷載組合①下主彎矩

圖3 荷載組合①下應力

圖4 荷載組合②下主彎矩

圖5 荷載組合②下應力

(2)工況①驗算

由圖3可知，荷載工況①下，最大正彎矩產生于中腹板底部與地基相接處，最大彎矩值為0.81 MN·m；最大應力產生于中腹板中心位置附近，最大應力值為0.9 MPa。

由公式(1)[5]進行截面強度驗算

σc=0.9 MPa<[σb]=9.4 MPa

(1)

式中σc——混凝土壓應力/MPa；

M——計算彎矩/(MN·m)；

W0——對混凝土受壓邊緣及所檢算受拉鋼筋重心處的換算截面抵抗矩/m3。

中腹板處采用HRB335鋼筋，鋼筋直徑為14 mm，因此由公式(2)得

σs=14.857 MPa<[σs]=180 MPa

(2)

式中σs——鋼筋拉應力/MPa；

M——計算彎矩/(MN·m)；

Ws——對混凝土受壓邊緣及所檢算受拉鋼筋重心處的換算截面抵抗矩/m3；

n——鋼筋的彈性模量與混凝土的變形模量之比。

綜上，工況①下中腹板的配筋滿足規范中有關強度的要求。

中腹板處裂縫驗算：

根據文獻[5]，有

(3)

(4)

(5)

式中Wf——計算裂縫寬度/mm；

K1——鋼筋表面形狀影響系數，對光鋼筋該值為1.0，帶肋鋼筋為0.8；

K2——菏載特征影響系數；

α——系數，對光鋼筋該值為0.5，帶肋鋼筋為0.3；

M1——活載作用下的彎矩/(MN·m)；

M2——恒載作用下的彎矩/(MN·m)；

M——全部計算菏載作用下的彎矩/(MN·m)；

r——中性軸至受拉邊緣的距離與中性軸至受拉鋼筋重心的距離之比，對梁和板，r分別采用1.1和1.2；

σs——受拉鋼筋重心處的鋼筋應力/MPa；

Es——鋼筋的彈性模量/MPa；

d——受拉鋼筋直徑/mm；

μz——受拉鋼筋的有效配筋率；

n1，n2，n3——單根，兩根一束，三根一束的受拉鋼筋根數；

β1β2β3——考慮成束鋼筋的系數，對單根鋼筋β1=1。兩根一束β2=0.85，三根一束β3=0.7；

As1——單根鋼筋的截面積/m2；

Ac1——與受拉鋼筋相互作用的受拉混凝土面積/m2。

工況②下Wf≈1.2 mm>[Wf]=0.25 mm。

因此，如果框架橋在施工時僅僅開挖土方，而沒有及時進行雙孔回填的話，很容易造成中腹板中心位置處產生較大裂縫。

(3)工況②驗算

由圖4、圖5可知，荷載工況②下，最大正彎矩同樣產生于中腹板底部與地基相接處，最大彎矩值為0.335 MN·m；最大應力產生于中腹板中心位置附近，最大應力值為0.4 MPa。

截面強度驗算：σc=0.4 MPa<[σb]=9.4 MPa。中腹板處采用HRB335鋼筋，鋼筋直徑為14 mm，因此σs=n·M/Ws=9.72 MPa<[σs]=180 MPa

綜上，工況②下中腹板的配筋也滿足規范中強度要求。

裂縫驗算：

工況②下Wf≈0.12 mm<[Wf]=0.25 mm。

因此，如果施工時能夠嚴格依照施工順序進行，及時回填框架橋的雙孔土方，該橋涵中腹板處不會產生較大裂縫。

3 橫撐修補裂縫方案

3.1 建立橫撐模型

針對工況①中出現的問題，現采用在框架橋單側加入混凝土橫撐的方案，具體布置如圖6。

圖6 橫撐有限元模型

3.2 橫撐模型數值計算結果分析

工況②為框架橋出現裂縫后最不利的荷載工況，因此需要驗證橫撐修補法在工況②下，是否滿足規范中關于強度和裂縫寬度的要求。首先，得到橫撐模型在工況②下的內力值，如圖7～圖8所示。

圖7 荷載組合②下彎矩

圖8 荷載組合②下應力

3.3 數值模擬計算結果分析

(1)強度驗算

在橫撐應力集中處，σc=2.07 MPa<[σc]，σs=33.5 MPa<[σs]，強度滿足要求。

(2)裂縫驗算

工況①下Wf≈0.23 mm<[Wf]=0.25 mm。

同樣滿足裂縫要求。

4 結束語

在框架橋的建造和使用過程中，有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導致框架橋垮塌的報道屢見不鮮?；炷灵_裂成為經常困擾著工程技術人員的技術問題[7-9]。混凝土裂縫開裂的原因復雜，包括混凝土內部因素和外界因素對混凝土的影響等。針對鐵路雙孔箱形框架橋的工程實例，分析中腹板處產生較大裂縫的原因。結果表明，施工過程中沒有及時進行雙孔回填是裂縫產生的主要原因，提出了如何有效控制此類結構已開裂裂縫的修補措施。驗算結果表明，橫撐修補法可以有效控制框架橋中腹板位置處的裂縫，達到恢復框架橋中墻耐久性和使用性的目的。

[1] 徐懷中.橋梁混凝土裂縫分析與防治[J].工程科學，2010(1)：117-118

[2] 李敏敏.鐵路橋梁混凝土裂縫分析與整治對策[J].上海鐵道科技，2005(2)：34-36

[3] 李海燕，杜存山，祝和權.既有鐵路鋼筋混凝土橋梁病害原因分析及材料劣化的評估和防治[J].中國鐵道科學，2004(6)：59-64

[4] 王來福.汽車菏載作用下擋土墻土壓力計算方法的改進[J].中國海洋大學學報,35(5):827-829

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005：29

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵基本規定[S].北京:中國鐵道出版社，2005：43-44

[7] 袁剛.論框架橋混凝土的施工溫度與裂縫[J].工程設計與研究2007(2):45-48

[8] 劉威，闞京梁.北京市平原區地裂縫對鐵路工程影響分析[J].鐵道勘察,2013(5):46-47

[9] 李志華.如何控制橋梁工程中大體積混凝土裂縫[J].鐵道勘察,2010(5)：85-86

CauseAnalysisandRepairMethodsfortheCracksofboxFrameBridgewithDoubleHoles

LIANG Jin

2014-09-02

梁 勁(1984—)，2013年畢業于北京工業大學土木工程專業，工學博士，工程師。

1672-7479(2014)06-0107-04

U448.38

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