基于敏感分析的預制箱梁腹板斜裂縫機理研究

雷 浪,劉顏滔,魏 程

(西安公路研究院有限公司 西安市 710065)

0 引言

隨著我國橋梁建設事業的蓬勃發展,橋梁的結構形式也更加豐富,其中預制小箱梁由于具有較大的截面抗扭強度、抗彎強度,能夠很好地滿足高等級公路行車高速、平穩、舒適的要求,并且兼具造價較低、施工速度快的特點,在國內外得到了十分迅速的發展和廣泛應用[1]。

雖然小箱梁因其優良的截面特性被廣泛應用,但由于設計荷載等級幾經變化和提升、受建設年代條件所限、設計過于追求經濟性、施工不規范或不當、車輛超載、結構自身的老化和養護不力等原因,大量在役小箱梁橋結構已經出現了許多病害,其病害主要表現在結構出現的各種裂縫,如腹板斜裂縫、腹板與頂板相接處縱向裂縫、箱梁底板縱橫向裂縫、腹板與底板交界處縱向裂縫、橋面板濕接縫處縱向裂縫等,隨著荷載的反復作用,裂縫進一步發展,使梁體整體剛度減弱,使用功能降低,承載能力下降,嚴重影響結構耐久性[2]。

1 腹板斜裂縫發生和發展規律

近年來預制小箱梁主要大規模應用在高速公路中,但由于設計上考慮不周、施工不當、超載車的影響再加上自身的老化和養護不夠等原因,現有小箱梁橋梁已經出現了大量的病害。通過對多條高速公路一個多月的資料收集、走訪調查,整理收集了大量預制箱梁橋狀況。

本次調查對象為陜西省某高速上采用預制混凝土預應力小箱梁的橋梁,病害情況較典型的橋梁有21座,設計荷載為汽車-超20,掛-120,上部結構技術狀況評定為三類和四類,結構病害均比較嚴重,需要進行一定的加固或維修。以其中裂縫病害嚴重的某座橋梁為例,該橋6孔一聯,共有132條裂縫,統計裂縫病害情類型見表1。

表1 裂縫類型統計

由表1的統計結果可知,預應力混凝土預制箱梁出現的裂縫病害中,大部分都是腹板斜裂縫、腹板豎向裂縫、底板縱向裂縫和橫向裂縫。其中出現腹板斜裂縫病害比例較高,因此研究腹板斜裂縫病害機理對常見中小跨徑橋梁的養護和加固具有重大意義。

1.1 病害規律

如圖1所示,腹板斜裂縫大致分布于梁端到四分點附近,且沿跨中左、右兩側對稱分布,和水平面的夾角為25°～50°。分析認為,出現這種裂縫主要是由于箱梁在支座附近剪應力過大、腹板抗剪能力不足,主拉應力方向抗裂安全儲備考慮不充分等因素所致。隨著運營荷載的增長及外界環境因素的影響,箱梁腹板部分裂縫有變寬、加重的跡象;重車通過時,腹板斜縫有擴展跡象。

圖1 預制箱梁腹板斜裂縫典型病害圖

腹板斜裂縫一般是混凝土主拉應變超限導致其開裂。腹板抗剪能力較弱,在腹板厚度偏小、箍筋設置偏少、彎起鋼束設置不合理、鋼絞線預應力損失嚴重、模板滑動導致板厚增加、現澆層過厚、施工質量較差或支座伸縮縫病害的誘因下產生斜裂縫,裂縫產生后由于鋼筋的布置不合理,無法有效限制裂縫發展。

箱梁腹板抵抗開裂的能力主要是由腹板本身的混凝土的抗剪能力、腹板混凝土中的豎向抗剪預應力鋼筋及腹板中的普通鋼筋組成,對腹板抗裂來說前兩者是最主要的。后者是對前兩者的補充,能夠防止裂縫的進一步擴展。所以,普通鋼筋不足,裂縫一旦出現,應力就很大,隨著荷載的反復作用,裂縫進一步增長和擴寬,使梁體的整體剛度降低,承載能力下降。隨著時間的推移,在荷載的不斷作用下,梁體狀況加劇惡化,最終趨于破壞。

1.2 影響因素

預應力混凝土連續梁橋腹板裂縫產生的原因是多方面的,極其復雜,涉及設計計算和構造、施工工藝、氣候條件、日常養護等各個方面,而且在實際工程中往往是多個因素的綜合作用致使梁體開裂[3-5]。

(1)設計因素

結構或構造不合理(腹板尺寸不足)、截面配筋不足、結構物不均勻沉降等會導致裂縫產生。

(2)施工因素

模板定位不準確導致腹板厚度不足,混凝土振搗不密實導致腹板出現局部坑洞,預應力管道起彎位置定位不準確,混凝土養生不到位,模板滑動導致主梁自重增加,拆模過早等都可能導致腹板產生斜裂縫。

(3)養護管理因素

高速公路路段重載、超載車輛較多;日常養護不到位,鋼筋銹蝕嚴重等。

2 腹板斜裂縫病害機理分析

為了探究導致預制小箱梁產生腹板斜裂縫的原因,在此分析預應力損失、結構自重偏差、移動荷載提升三種條件下小箱梁各關鍵斷面上主拉應力的變化情況,找出導致預制小箱梁腹板產生斜裂縫的可能原因,暫時不考慮設計因素。

采用Midas Civil對某高速3×20m預制混凝土小箱梁控制截面各施工階段以及運營階段的箱梁腹板進行主拉應力進行計算,各個控制截面位置如圖2所示,其中1#、9#控制截面為小箱梁距支座1/8跨處;2#、10#控制截面為小箱梁距支座1/4跨處;3#、11#控制截面為小箱梁距支座3/8跨處;4#、12#控制截面為小箱梁跨中位置處;其中5#控制截面為小箱梁距支座5/8跨處;其中6#控制截面為小箱梁距左側支座3/4跨處;其中7#控制截面為小箱梁距支座7/8跨處;其中0#、8#控制截面為小箱梁支座位置。各個截面選取的應力關鍵點位置如圖3所示。

圖2 控制截面位置示意圖

注:1為頂板上緣;2為梗腋位置;3為中性軸位置;4為箱梁底板倒角位置; 5為底板下緣。

考慮不同荷載組合作用下小箱梁在施工階段和使用階段的頂底板、腹板應力分布,得出最不利組合作用下小箱梁頂底板、腹板應力分布。以此為基礎,分析預應力損失、梁體預制自重偏差、荷載等級提升對小箱梁結構抗裂性影響,找出小箱腹板斜裂縫的成因。

2.1 預應力損失

在實際工程中,由于預應力張拉力不足、錨具回縮量過大、鋼絞線松弛、孔道與鋼絞線摩擦過大等因素導致的預應力損失與理論計算值有較大出入,甚至在施工或結構服役過程中出現斷絲等導致結構預應力嚴重不足,結構腹板、頂板、底板因此出現一些受力裂縫,預應力嚴重損失也是小箱梁腹板斜裂縫產生的主要原因之一。為了分析鋼絞線預應力大量損失對小箱梁裂縫的影響,以錨下控制應力的減小模擬小箱梁實際運用中鋼絞線預應力的損失。分別假設預應力束錨下控制應力整體損失0、10%、20%、30%來模擬有效預應力損失0、10%、20%、30%的效果,在準永久作用效應最不利組合作用下,0#～12#截面的主拉應力結果如圖4所示,根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》6.3.1條規定,應力限值0.7ftk=1.855MPa。

圖4 不同程度應力損失下主應力結果

由圖4可以看出,在有效預應力損失不斷增大的條件下,各關鍵截面最大主拉應力均有所增加,特別是在8#截面主拉力由1.00MPa、1.17MPa到1.50MPa最終增長到1.847MPa,增長明顯,增長幅值較大,非常接近規范規定的應力限值,認為預應力嚴重損失很可能導致預制小箱梁腹板產生斜裂縫。

2.2 箱梁自重偏差

在小箱梁的預制過程和梁體安裝架設過程中,模板制造安裝誤差、工人施工質量、混凝土材料配合比、振搗質量、底模位置放樣等都會使小箱梁結構預制自重產生一定偏差,小箱梁自重作為橋梁結構的主要荷載,其自身自重的偏差會對整體結構的應力水平產生不可忽略的影響,自重偏差過大,可能導致結構裂縫的出現。在有限元軟件中通過調整結構自重系數來模擬結構自重偏差,假設結構自重分別增加0、3%、7%、10%,在準永久作用效應最不利組合作用下0#～12#截面的主拉應力結果如圖5所示。

圖5 不同自重增幅作用下應力結果

由圖5可以看出,在結構自重不斷增大的條件下,0#～2#、6#～10#截面主拉應力有所增加;3#～5#、11#、12#截面最大主拉應力反而有一定減小,但整體應力水平均較低,與規范規定的應力限值相比均有一定的安全儲備,認為結構自重偏差不是導致預制小箱梁腹板產生斜裂縫的主要原因。0#～2#、6#～10#截面為彎矩剪力綜合控制區或負彎矩控制,預制箱梁先簡支后連續施工,正彎矩遠比負彎矩大,主拉應力中剪應力貢獻較大,3#～5#、11#、12#截面受力以正彎矩控制,主拉應力中彎矩正應力貢獻較大。

2.3 荷載等級提升

現階段高速公路和國省干線大量在役橋梁均按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)規范設計,而交通部2015年頒布新版《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015),公路I級移動荷載相比2004年規范均有所增加。分析荷載等級由2004年規范的公路I級提升到2015規范對大量在役預制小箱梁工程具有重要意義。2004規范和2015規范公路I級移動荷載作用下各斷面位置4主拉應力如圖6所示,2004規范和2015規范公路I級荷載的最不利準永久作用效應下各關鍵斷面主拉應力結果如圖7所示。

圖6 移動荷載作用下位置4主拉應力

圖7 不同規范移動荷載作用下各斷面應力結果

由圖6可知,2004規范移動荷載作用下各截面位置4主拉應力最大值出現在邊跨跨中位置,最大值為3.76MPa;2015規范移動荷載作用下各截面位置4主拉應力最大值出現在邊跨跨中位置,最大值為4.43MPa。邊跨位置最大主拉應力由3.76MPa增大到4.43MPa,應力增加0.67MPa,應力增幅明顯。

由圖7可知,2015規范公路I級荷載的最不利短期作用效應下各關鍵截面主拉應力均比2004規范增大,最大值在11#斷面,由1.25MPa增大到1.32MPa,增幅5.6%,與規范規定的應力限值相比有一定的安全儲備,因此認為荷載等級提升不是導致預制小箱梁腹板產生斜裂縫的主要原因,但移動荷載作用下截面主拉應力增幅明顯,會對已有裂縫的發展有一定的促進作用。

綜合大量實橋調查,橋梁自重偏差一般不超過5%,而正常運營十年左右,預應力損失一般可達到25%左右,在實際工程中預應力損失較容易達到20%～30%,而因預制箱梁施工導致主梁自重增大10%的可能性較小。綜上分析認為:有效預應力損失過大是腹板產生斜裂縫的主要原因。

3 結語

腹板斜裂縫是高速公路常見中小跨徑橋梁中的主要病害之一,文章針對某高速公路21座預制小箱梁病害情況,總結出預制小箱梁腹板斜裂縫發生位置和發展情況。由于腹板斜裂縫是截面承載力不足的表現,對預制小箱梁腹板主拉應力從預應力損失、梁體預制自重偏差、荷載等級提升方面進行敏感性分析,探究腹板斜裂縫病害機理,認為預應力損失是腹板產生裂縫的主要原因。在工程實踐中,對于腹板斜裂縫一般采取粘貼鋼板、腹板截面加厚等方法提高其截面抗剪承載力,改善其結構受力,進而達到控制裂縫的效果[6]。