施炳前
1 连续刚构桥的裂缝产生综述
1.1 腹板裂缝
1)主拉应力产生腹板斜裂缝。这些裂缝一般出现在支点与反弯点之间的区域,在支座附近区域,初始竖向开裂后,腹板中的倾斜裂缝变得越来越斜,说明腹板抗剪能力不足,主拉应力方向抗裂安全储备不够。2)锚后拉应力产生腹板斜裂缝。采用悬臂浇筑法施工的预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁,在悬臂分段浇筑中,锚头往往布置在接缝面。由于在接缝面上新浇混凝土之间的抗拉强度低很多,因此,如果在此锚固预应力筋,将在锚固区引起局部高压应力而导致蠕变。3)连续梁边跨端部腹板斜裂缝。连续梁边跨端部腹板受力比较特殊,应力分布十分复杂。连续梁边跨端部往往是在支架上现浇的,此处剪力较大,在施工和体系转换过程中会受到一些次内力的影响,也是局部受力集中之处,同时,巨大的支座反力也主要是依靠腹板来传递的。在边跨梁端又是预应力筋集中锚固区域,局部高应力所引起的徐变也比较大。要预先了解引起这些应力的各种因素是非常困难的,即使可以预知这些应力,要详细说明或用公式表示其计算方法或数学模拟也是很困难的。这主要与端部没有配置弯起索或弯起索不足有关,即使配置竖向预应力筋也由于钢筋较短或是由于人工操作不当带来的过大预应力损失,以至难以抵抗主拉应力。
1.2 顶、底板裂缝
通过对几座桥梁的实地调查分析,箱梁的顶、底板也存在一定程度的纵向裂缝和横向裂缝。作者分析认为箱梁顶板、底板的裂缝是由于箱梁畸变和横向弯曲产生的。计算箱梁顶、底板的主应力时,必须考虑顶、底板的横向正应力。由于在箱梁顶、底板的剪应力相对较小,所以主应力的方向大致与箱梁顶底板的横向方向相同,那么产生的裂缝方向大致与桥轴方向平行。此外,温差或收缩引起的局部应力,顶、底板齿板受力,曲线配索的横向受力,预应力筋锚头处局部受力以及截面分层处和施工接缝处的局部应力都有可能产生严重的局部应力,使顶、底板开裂。
2 连续刚构桥裂缝的控制措施探讨
2.1 箱梁配筋控制措施
1)纵向预应力筋。纵向配直线束的做法既筛化了设计和施工,又减少了摩阻损失,对建立纵向有效预应力有利,而剪应力需配置密排的竖向预应力束来克服。这是由于竖向直线束太短,伸长量太小,几乎建立不起有效预应力来,建立值与设计值相差太大,难免会出现主拉应力方向的结构性裂缝。另外,剪应力和主拉应力沿纵向是连续分布的,配直线束加密排竖向束组合,一定存在一段应力空白区。建议应合理布置腹板内纵向预应力弯束,让预应力提供的抗剪能力沿纵向有一个连续分布,并尽可能多地将预应力束布置在腹板内;建立起足够的纵向有效预应力和弯起束提供的竖向预应力,有效减小或消除主拉应力,减少或消除腹板裂缝。2)竖向预应力筋。竖向预应力筋设置能显著地减小或消除主拉应力,但力筋太短,难以建立有效预应力,虽在施工工艺上加以改进,如采用超张拉或反复3次张拉,仍存在一些问题。我们对某大桥做了这方面试验,从测试的几根来看,效果不错,但难免存在一些人为因素,这与施工人员的素质分不开,如紧固螺母、压浆饱不饱满等。
2.2 补强控制措施
1)后张预应力筋锚区加强钢筋。后张预应力筋锚固区分为端面锚固、齿块锚固和齿槽锚固三种形式。端面锚固是最常用的锚固方式,预应力筋伸出并直接支承于构件端面,与构件端部一起形成一种理想的锚块构造。除构件端部正常配筋,端面锚固区内配置的附加钢筋为锚垫板下的局部加强钢筋,其主要采用螺旋钢筋,也可采用空间钢筋网。螺旋钢筋一般与锚具配套供应,对加强锚下混凝土局部承压的效果好,施工方便,但各锚具的螺旋钢筋相互独立、对锚块无整体作用效果;空间钢筋网由施工现场构造而成,其对加强锚下混凝土局部承压的效果不如螺旋钢筋,施工相对方便,但其将各锚具的加强钢筋连成一体,具有整体作用效果。因此理想的锚块应以螺旋钢筋形成锚下局部承压加强作用,锚具间附加适量的空间钢筋网构成整体加强作用。这种空间钢筋网是以横向钢筋为主的,主要限制锚块整体横向膨胀,根据锚下应力传递规律,空间钢筋网可从螺旋中下部开始布置。
齿块锚固的加强钢筋应由两部分组成,一部分为锚固块自身加强钢筋,基本构造与端面锚块相似,但横向环齿块的钢筋应力为锚固于板内的闭合箍筋,并由网格钢筋对拉。另一部分加强钢筋布置在齿块所在处的顶板或底板内,纵向按两层分布,横向范围约两个齿块宽度,间隔布置在原板上、下层纵向分布钢筋之间。
2)薄板预应力筋锚后扩散加强钢筋。在节段施工预应力混凝土箱梁顶板与底板的端面上往往需要锚固预应力筋,由于箱梁截面较大、板壁薄而宽,预加力需要沿力线方向经一定长度才能逐步扩散至全截面。在预加力逐步扩散的区段内,主压应力形成斜向扩散力线,但垂直力线的主拉应力则可能导致混凝土开裂。因此,顶板与底板锚后应设置相应的加强钢筋,尤其对于锚具距离腹板较远的情况。对于齿板锚固方式,除在锚固点局部设置加强钢筋外,预加力扩散区的加强钢筋设置方法也同上相似。
2.3 顶板裂缝控制措施
1)认真审查工程结构设计图纸,复核板厚、钢筋;2)加强钢筋工程的隐蔽验收,注意检查钢筋的直径、间距、上下层钢筋之间的有效高度、钢筋的锚固长度、下层钢筋的保护层垫板厚度及分布等是否符合设计、施工规范要求;3)浇捣混凝土时,安排专人负责管理,以免上层负筋被踩压下沉;4)板中预埋电线套管时下方多设些垫块,以确保下层钢筋的有效保护层;5)严格按照施工规范规定,严禁在现浇混凝土未达到设计强度之前拆模,板上施工堆载应均匀分布,且避免过重;6)重视事前控制,确保板件厚度及混凝土强度达到设计要求。
2.4 大体积混凝土施工裂缝控制措施
从裂缝的形成过程可以看到,特别是大体积混凝土之所以开裂,主要是混凝土所承受的拉应力和混凝土本身的抗拉强度之间矛盾发展的结果。因而为了控制大体积混凝土裂缝,就必须尽最大可能提高混凝土本身抗拉强度性能和降低抗拉应力(特别是温度应力)这两方面综合考虑。抗拉强度主要决定于混凝土的强度等级及组成材料,要保证抗拉强度关键在于原材料的优选和配合比的优化(混凝土强度等级设计已经确定)。由于混凝土选用地材,从经济角度来考虑,原材料优化的空间相对较小,所以降低拉应力是控制混凝土裂缝的有效途径,而降低拉应力主要通过减小温度应力和沉缩应力来控制温度裂缝和沉缩裂缝。
3 结语
预应力混凝土连续刚构桥结构裂缝形成的原因,涉及设计计算、施工工艺、养护管理、材料性质、气候环境等各个方面。因此,要细致全面的分析每一个因素对箱梁结构的影响程度是很困难的,多数情况下也是没有必要的。通过对结构裂缝形式和状态的调查可以发现,目前预应力混凝土连续刚构桥裂缝产生的位置和形式具有一定的规律性,因此可以推断,导致目前该类结构裂缝产生的影响因素也具有一定的代表性。
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