寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁防變形抗裂關(guān)鍵技術(shù)研究

文 新 平

(荊州理工職業(yè)學(xué)院，湖北 荊州 434000)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，交通壓力越來越大，環(huán)境保護(hù)與文明施工要求越來越高，安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀等要求將同步提高，短線匹配法預(yù)制拼裝節(jié)段箱梁工藝將得到更加廣泛的利用[1-5]，為了滿足橋梁越來越高的通行能力要求，寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制箱梁的應(yīng)用前景越來越好，但與此同時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量的要求也越來越高，且質(zhì)量實(shí)行質(zhì)量終身責(zé)任制，要求混凝土耐久性必須得到保障，寬幅預(yù)應(yīng)力箱梁在存放、吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中合理變形和無裂紋是未來節(jié)段預(yù)制箱梁的必然要求[6-9]。

文章結(jié)合虎門二橋工程箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)過程，研究了寬幅預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段箱梁增加對(duì)拉鋼絞線及普通抗裂鋼筋后的位移及拉應(yīng)力，并探討了兩種抗裂防變形措施的利與弊，為后續(xù)類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

虎門二橋項(xiàng)目起點(diǎn)位于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)，與珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)形公路南環(huán)段對(duì)接，沿線跨越珠江大沙水道、海鷗島、珠江坭洲水道，終點(diǎn)位于東莞市沙田鎮(zhèn)，與廣深沿江高速公路連接，主線全線長12.891 km，含大沙水道橋、坭洲水道橋兩座懸索橋，其中大沙水道橋采用主跨為1 200 m的單跨鋼箱梁懸索橋，泥洲水道橋采用658 m+1 688 m雙跨鋼箱梁懸索橋。虎門二橋節(jié)段預(yù)制箱梁共3 533榀，箱梁為單箱雙室斜腹板結(jié)構(gòu)，節(jié)段梁混凝土為C55。虎門二橋引橋及主線橋采用短線預(yù)制箱梁，中墩為墩梁固結(jié)式，箱梁頂面寬度與嘉紹大橋相同，也為20 m，底面寬度最寬達(dá)到11.2 m。

2 虎門二橋節(jié)段預(yù)制箱梁的防變形抗裂控制措施

箱梁自身豎向位移導(dǎo)致梁體發(fā)生變形，局部拉應(yīng)力超過混凝土自身的拉應(yīng)力界限，導(dǎo)致梁體部分位置產(chǎn)生裂紋，本著提高結(jié)構(gòu)耐久性，有利于箱梁安裝線形控制的目的，結(jié)合虎門二橋工程實(shí)際情況，探討了幾點(diǎn)寬幅預(yù)應(yīng)力箱梁防變形抗裂控制技術(shù)措施。

2.1 混凝土自身抗裂性控制

1)混凝土配合比設(shè)計(jì)：混凝土均勻性與混凝土抗劈裂強(qiáng)度有關(guān)，均勻性越好，抗劈裂強(qiáng)度越高，故進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮材料均勻性對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，將碎石粒徑控制在5 mm～20 mm之間。混凝土的抗壓強(qiáng)度雖然與抗拉強(qiáng)度不完全成比例，但大量的試驗(yàn)已證明：混凝土抗壓強(qiáng)度越高，抗拉強(qiáng)度也越高，故適當(dāng)增加水泥摻量，對(duì)提高抗拉強(qiáng)度有著一定作用。

2)混凝土布料與振搗：混凝土振搗質(zhì)量與混凝土抗拉強(qiáng)度有關(guān)，故在箱梁混凝土澆筑過程中，需合理均勻布料，每層布料不宜超過20 cm，振搗間距和振搗時(shí)間需嚴(yán)格按規(guī)范控制，確保混凝土內(nèi)實(shí)外美。

3)混凝土養(yǎng)護(hù)：混凝土的養(yǎng)護(hù)是否及時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間是否滿足規(guī)范要求，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響很大，箱梁混凝土在初凝后，在預(yù)制臺(tái)座要采取土工布覆蓋灑水保濕養(yǎng)護(hù)，當(dāng)新澆筑梁段移至匹配梁位置，內(nèi)倉宜采用噴霧器噴涂養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，腹板外側(cè)及翼緣板宜采用人工灑水養(yǎng)護(hù)；梁段完成匹配任務(wù)移至修整養(yǎng)護(hù)區(qū)后宜采用自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)，直至達(dá)到15 d的養(yǎng)護(hù)期。

4)提梁強(qiáng)度控制：寬幅預(yù)應(yīng)力箱梁在提梁及雙層存放時(shí)發(fā)生變形和開裂，故箱梁混凝土強(qiáng)度需達(dá)到提梁強(qiáng)度后方可提梁，在混凝土澆筑時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)制作強(qiáng)度試件，采取與梁段同條件養(yǎng)護(hù)，提梁前，試壓同條件試件強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%方可提梁。

2.2 增設(shè)對(duì)拉鋼絞線控制變形和開裂

箱梁變形的根本原因?yàn)樽陨韯偠炔蛔悖瑢?dǎo)致梁體發(fā)生變形，故控制變形的有效途徑為增大箱梁自身剛度，根據(jù)雙支承存梁狀態(tài)下的受力特點(diǎn)，在箱梁中腹板處增設(shè)一道拉桿，通過兩側(cè)邊腹板頂部將中腹板底部拉起，減小豎向位移，見圖1。

拉桿可選用精軋螺紋鋼，但需在邊腹板頂部和中腹板底部安裝預(yù)埋件，且內(nèi)腔張拉困難，故不宜采用；拉桿亦可采用鋼絞線，在箱梁內(nèi)預(yù)埋管道，在頂板預(yù)埋兩個(gè)M15-3扁錨，張拉和放張操作均在箱梁頂面實(shí)施，操作性強(qiáng)；對(duì)兩種拉桿方案進(jìn)行比較，本工程選用對(duì)拉鋼絞線更優(yōu)，即每個(gè)節(jié)段設(shè)3根鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為0.5fpy，總張拉力為40 t。對(duì)增設(shè)對(duì)拉鋼絞線的模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示，模型邊界條件同原模型，拉桿單元設(shè)置初始應(yīng)變，拉桿等效拉力為40 t。

表1 增設(shè)對(duì)拉鋼絞線的模型計(jì)算結(jié)果表

增設(shè)對(duì)拉鋼絞線前后對(duì)比分析如表2所示，通過表2可以看出，采用對(duì)拉鋼絞線措施，豎向變形由3.4 mm減少為1.2 mm，最大拉應(yīng)力由7.3 MPa降低至3.2 MPa。

通過以上計(jì)算分析，得出通過主動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力，使得最不利位置拉應(yīng)力明顯減小，可減少存梁期間出現(xiàn)裂縫；存梁期間變形減小，降低架梁期間對(duì)位的難度。該方法存在的不足是存梁期可以看到預(yù)應(yīng)力，影響外觀；施工過程涉及鋼絞線的穿束、張拉、拆除，施工較復(fù)雜；鋼絞線與個(gè)別體外預(yù)應(yīng)力束沖突，拆除過程可能對(duì)工期有一定影響；相對(duì)增加鋼筋的方案，鋼絞線拆除過程可能有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 增設(shè)鋼絞線前后計(jì)算對(duì)比表

2.3 增設(shè)普通抗裂鋼筋控制裂紋

在易開裂位置，增設(shè)普通鋼筋，以減小裂縫數(shù)量及寬度，增設(shè)鋼筋采用HRB400-12的短鋼筋，間距15 cm左右，與原有鋼筋一一對(duì)應(yīng)并排布置(見圖2)。

對(duì)于增設(shè)鋼筋的方案，需考慮存梁階段與使用階段受力的疊加，為了方便活載效應(yīng)的計(jì)算，本項(xiàng)計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件MIDAS 2012進(jìn)行，采用梁單元進(jìn)行模擬，如圖3所示，其中存梁模型僅施加自重荷載，在進(jìn)行使用階段驗(yàn)算時(shí)施加的荷載包括預(yù)應(yīng)力荷載、二期橫載、溫度荷載、梯度溫度荷載以及汽車活載，單層存梁內(nèi)力結(jié)果與使用階段內(nèi)力進(jìn)行最不利疊加，計(jì)算出的合彎矩及其計(jì)算出的相應(yīng)裂縫寬度列于表3。

表3 各工況截面驗(yàn)算點(diǎn)局部截面彎矩值 kN·m

頂板A，D兩點(diǎn)成橋階段按預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算，故不列出裂縫計(jì)算結(jié)果。底板B，C兩處原設(shè)計(jì)鋼筋配置均為HRB400-20@150 mm，增設(shè)鋼筋為HRB400-12@150 mm，按C截面處最大彎矩驗(yàn)算裂縫寬度如表4所示。

表4 各工況截面驗(yàn)算點(diǎn)彎矩值及裂縫寬度

由此可知，增設(shè)普通鋼筋后不改變變形及應(yīng)力情況，但名義裂縫寬度從0.26 mm降低至0.15 mm。通過增加配筋率，減小裂縫數(shù)量和寬度；不影響存梁期間梁體外觀，該措施操作便捷，不增加施工工序。該方法存在的不足是增加鋼筋可減小裂縫寬度，但存梁期間仍會(huì)出現(xiàn)裂縫；存梁期間變形稍大，增加梁體吊裝對(duì)接時(shí)的難度。

3 結(jié)語

通過本次研究，建議今后設(shè)計(jì)寬幅預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制箱梁時(shí)，必須考慮自身剛度，以減小變形和開裂，采取輔助措施將增加橋梁建設(shè)成本，增加施工工期，影響結(jié)構(gòu)觀感，且效果并非十分理想，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，改變配筋率，設(shè)置必要的預(yù)應(yīng)力筋，使結(jié)構(gòu)自身抗變形能力更強(qiáng)。在施工過程中，存梁、吊裝方式不能完全照搬照抄，要結(jié)合箱梁的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算分析，合理選擇；若箱梁仍有變形和裂紋，必須研究制定合理的控制方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 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，1988.

[2] 朱漢華,陳孟沖,袁迎捷.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫分析與防治[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3] Kwak H G, Son J K. Determinatination of Design Moments IN Bridge Constructed with a Movable Scaffolding System[J]. Comtutrs & Structures,2006(84):31-32.

[4] 李燕青.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂問題的數(shù)值分析及控制措施[D].重慶：重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[5] 徐尚村，王新定，曾曉青.寬幅變截面連續(xù)箱梁地板縱向裂縫成因及對(duì)策[J].山西建筑，2010，36(1):172-173.

[6] 王衛(wèi)鋒,葉敬彬,林致勝,等.施工過程箱梁腹板斜裂縫成因分析[J].橋梁建設(shè),2010(1):32-35.

[7] 施 穎,鄭建群.從設(shè)計(jì)層面探討預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋裂縫控制[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(4):13-18.

[8] 李 堅(jiān).我國預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的發(fā)展與工程實(shí)踐[J].城市道橋與防洪，2001(1):21-26.

[9] 張守峰.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板裂縫的分析及預(yù)防措施研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2011(5):190-192.