大跨径桥梁长期挠度成因及控制措施
2017-08-21
预应力混凝土梁桥由于施工简便、跨越能力强、造价经济等优点,在国内外桥梁建设中,尤其在主跨300m范围内具有很高的竞争力。早期建成的大跨度预应力混凝土梁桥,部分近期建设的梁桥,现阶段出现了许多病害,如腹板斜裂缝、底板裂缝、横隔板裂缝、桥墩墩身裂缝等,特别是主跨的持续下挠已成为困扰国内外桥梁建设者进行设计、施工、养护时的主要问题。
1 徐变对箱梁跨中挠度的分析及预防措施
1.1 徐变对挠度的影响
在长期的外界荷载作用下,体内胶体因脱水而缩小形成徐变变形。混凝土结构的徐变变形主要是由结构的自重和预应力引起的。引起桥梁长期徐变的荷载主要有:恒载和周期荷载。钢绞线引起的预应力引起的徐变挠度向上,自重和汽车活载引起的徐变挠度向下。为了减小成桥后持续下挠的问题,可以配置适当的预应力钢筋来预防。混凝土的收缩徐变是一个十分复杂的非线性问题。关于影响收缩、徐变的因素及结果本身都是随机变量,它们的变异系数最小也有0.15。现在大跨径梁桥箱形截面越来越轻型化,板件越来越薄,钢筋越来越多,混凝土强度等级越来越高,使徐变对结构的影响越来越大。
1.2 减小徐变对跨中下挠影响的措施
华裔美国工程专家林同炎教授提出的荷载平衡概念,用预应力自己产生的弯矩来平衡自重产生的弯矩,这样在预应力和自重作用下构件将处于轴向受压状态,构件在砼长期收缩徐变作用下,会发生轴向缩短,不会发生弯曲。在理论上,设计时只要保证结构在预应力、自重作用下每个断截面弯矩为零,建造时就可以不考虑预抛高,有利于施工控制。设计时尽量使全截面中心受压,上下缘应力相等,截面无转角,梁体无徐变挠度,同时应考虑混凝土收缩徐变引起的挠度,通常预拱度值应取L/1000～L/1500。施工时在工期允许的情况下,要求纵向预应力的张拉龄期大于5d。
2 预应力损失对下挠的影响及预防措施
2.1 预应力损失对下挠的理论分析
预应力混凝土构件的变形主要有两部分组成,一部分是预加力产生的反挠度;另一部分是由荷载产生的挠度。这两部分的挠度可以相互抵消一部分,从而使得桥梁结构的总挠度减小。但是,随着预应力的损失,预加力产生的反挠度减小,使桥梁结构的整体挠度增加。混凝土收缩徐变引起的损失和预应力钢筋松弛损失随着时间的增加而逐渐增大,并且两者相互影响,一方面混凝土收缩徐变使结构缩短,加剧了预应力松弛损失;另一方面预应力松弛改变了结构的内力状态从而影响着混凝土收缩徐变。所有这些都影响了预应力损失的计算精度,使得预应力损失的实际值与理论计算值有较大差别。
2．2 造成预应力损失的因素分析及预防措施
2．2．1 灌浆质量造成的损失
一些桥梁预留孔道的压浆不够饱满,不仅影响了预应力的传递,由于孔道存在裂缝、施工封锚不规范等原因孔内存有大量的积水,孔道中的钢绞线束,在空气、水的共同作用下,经过长期的作用会发生锈蚀,会造成应力集中,很大程度上降低箱梁截面的极限承载力及腹板的抗主拉应力, 不仅会引起梁体下挠,而且有使得构件抗力不足造成箱梁开裂的可能。目前的对预防预留管道中孔洞有一定作用较好的施工工艺为真空灌浆技术。
2．2．2 长预应力束的预应力损失及预防措施
连续刚构跨度的不断增加,长预应力束的应用也很普及。造成长预应力束的预应力损失的主要原因有多方面,如下。
(1)混凝土振捣时,振捣棒挤碰波纹管,工人施工时波纹管拼接定位不准确,都会导致孔道沿纵向凹凸不平,平直度出现误差,损失就越大。
(2)局部破损的波纹管会使浇筑砼时漏浆,使孔道内壁粗糙,损失就变大。
(3)随着预应力索长的增大,预应力钢筋束和穿钢筋束时相互缠绕的概率增大,损失就增大。
在施工过程中,可以采取某些措施来减小长预应力束的预应力损失:计算时选择准确的管道参数,施工张拉时严格控制并采取有效措施降低预应力的损失,从而确保纵向预应力的有效性,施工中预应力管道的定位应该力求正确。要求在布置波纹管时尽可能使得平弯和竖弯处平顺连续,避免出现折线现象,并提倡采用真空灌浆法。
2.3 跨中阶段底部预应力布筋方式探讨
一般的跨中区段下部预应力钢筋采用下弯布筋的方式值得考虑,预应力钢筋本身会产生向下的力,跨中弯曲下挠,预应力钢筋是否会被拉长,目前还未见到相关的研究成果。箱梁跨中弯曲下挠后,预应力钢筋在下挠的某个范围内有可能会使钢铰线的长度缩短,从而促使跨中下挠。
3 裂缝对挠度的影响
3.1 跨中横向裂缝对挠度的影响
目前研究院对大跨径连续梁桥普遍出现的开裂和持续下挠问题进行了分析。研究发现:成桥后结构的长期变形与目前的理论判断不符,背景桥跨中下挠趋势尚未收敛,呈现出“快速—缓和—加速”的特点。墩顶附近腹板斜裂缝相对出现较早,并且较先出现于箱梁内侧;跨中底板横向裂缝相对支点腹板裂缝出现稍晚,但出现后发展迅速。裂缝出现后,即使不进一步开展,桥梁挠度也会继续增大。由于长期挠度与裂缝之间有紧密联系,而混凝土桥梁的开裂问题又很难避免,因此对大跨径预应力混凝土连续梁桥长期挠度进行预测时,在考虑徐变、收缩等时变因素的同时,还应考虑到长期挠度与裂缝开展交互作用的影响。
3.2 腹板斜裂缝对挠度的影响
箱梁是薄壁构件,梁体出现斜裂缝会降低薄壁箱梁的抗剪刚度,剪切变形对梁体挠度的影响增大。梁体腹板出现斜裂缝后从两个方面影响梁体跨中下挠,一方面是会降低腹板的抗剪刚度,另一方面是裂缝本身引起的几何变形造成的跨中下挠。
4 结语
(1)混凝土徐变对跨中下挠的影响和跨径没有直接关系,可以通过计算配置合理的预应力钢筋来减小后期挠度。可在施工过程中可利用恒载零弯矩法减小徐变对挠度的影响。为减小徐变对箱梁产生的轴向的缩短的因素,可采用合拢段施工时预留一定的偏位或合拢段使用膨胀砼浇注的办法。
(2)预应力损失产生下挠的机理说明,在施工阶段的控制关键工序来减少成桥之后的预应力损失。
(3)箱梁的开裂从两个方面来影响梁体跨中下挠,一方面是降低箱梁的抗弯、抗剪刚度,另一方面是开裂的部位几何变形引起的梁体跨中下挠。根据以上各个方面的分析,我们可以得出成桥后运营阶段出现的裂缝对跨中下挠的影响是很大的必须控制。
参考文献
[1] 詹建辉,陈卉.特大跨度连续刚构主梁下挠及裂缝原因分析[J].中外公路,2005,25(1):56～58.
[2] 曾爱.假载法进行预拱度设置的方法[J].山西科技,2010(6).
