姚國豪
(鄭州市公路管理局 河南,鄭州市 450052)
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順性好、外形簡潔大方和養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn),是大跨徑橋梁建設(shè)常用的橋型之一。國內(nèi)設(shè)計(jì)修建的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋相繼出現(xiàn)了主梁跨中下?lián)?、箱梁梁體裂縫等病害,橋梁工程界一直在分析探討主梁下?lián)?、箱梁裂縫等病害的成因,而且也在不斷探尋解決主梁下?lián)稀⑾淞毫芽p等病害的方法[1]。從理論上講,連續(xù)剛構(gòu)橋在主梁設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)滿足了規(guī)范的相關(guān)要求,為何橋梁運(yùn)營階段中不斷出現(xiàn)主梁跨中下?lián)虾透鞣N裂縫等現(xiàn)象,甚至有些下?lián)虾土芽p還危及橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能。因此分析連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)?、箱梁裂縫成因,并改進(jìn)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)理念,從預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的角度出發(fā),尋求減少下?lián)虾土芽p的方法變得尤為重要。
大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)显虮容^復(fù)雜通過對國內(nèi)外多座連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)蠁栴}的分析[2],可總結(jié)出連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)系娜缦轮饕颍?/p>
(1)大跨度剛構(gòu)橋梁均采用高強(qiáng)混凝土,在設(shè)計(jì)的過程中對高強(qiáng)混凝土的收縮、徐變分析及長期作用下的估算不足,由此造成剛構(gòu)主梁下?lián)稀?/p>
(2)連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束隨著跨度的增長其長度也在不斷增加,這樣便加大了縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的損失,其中影響較為顯著的便是摩阻損失。影響摩阻損失的主要因素分別是:孔道彎曲、孔道偏差。我國橋梁設(shè)計(jì)對孔道摩擦系數(shù)u和孔道偏差系數(shù) K 的取值相對較低,并且橋梁在施工過程將導(dǎo)致孔道摩擦系數(shù) u 和孔道偏差系數(shù) K 的實(shí)際值變大,這就導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失估算不足,致使縱向預(yù)應(yīng)力有效性大大降低。而主梁預(yù)應(yīng)力有效性的降低導(dǎo)致主梁正彎矩區(qū)域的底板縱向應(yīng)力鋼束和主梁負(fù)彎矩區(qū)域的頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的有效應(yīng)力降低,從而導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)稀?/p>
(3)在橋梁施工過程中,施工單位為了提高施工的速度,便人為縮短施工周期:在混凝土還沒有達(dá)到一定強(qiáng)度要求時(shí),便張拉預(yù)應(yīng)力鋼束或者增加其荷載,從而增大了施工階段中的彈性撓度,而且也造成了混凝土徐變撓度的增大。施工過程中若沒有固定好預(yù)應(yīng)力鋼束的管道或者在灌漿中預(yù)應(yīng)力鋼束管道發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng),便會(huì)造成設(shè)計(jì)計(jì)算值的誤差增大,而且管道的彎曲也會(huì)增加預(yù)應(yīng)力鋼束的損失。如果施工過程中損壞了預(yù)應(yīng)力鋼束管道,在灌漿過程中將導(dǎo)致混凝土漏漿,使得預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)壁粗糙,致使預(yù)應(yīng)力鋼柬損失的增加。以上分析的因素也間接導(dǎo)致了目前大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁長期下?lián)稀?/p>
(4)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫是一種比較常見的病害,具體分析可見下文所述。箱梁一旦發(fā)生了比較嚴(yán)重的開裂,便將導(dǎo)致主梁梁體的剛度降低,最終造成主梁梁體的撓度增大。隨著梁體裂縫的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、裂縫數(shù)目的增加、裂縫寬度和長度的變化,主梁的剛度將不斷減小,從而將導(dǎo)致主梁的下?lián)喜粩嘣龃蟆?/p>
連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁裂縫除了有上述危害之外,還對橋梁結(jié)構(gòu)有其他影響和破壞,而且箱梁裂縫的成因分析對改進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)計(jì)理念和配束方法有著重要的意義。連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的裂縫從不同的角度有著不同的分類方法,目前大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁出現(xiàn)的主要裂縫及其成因分析如下所述。
2.2.1 剪切裂縫
剪切裂縫,即斜裂縫,最先出現(xiàn)在箱梁剪應(yīng)力最大的部位[3]。一般墩頂截面和梁端附近出現(xiàn)剪切裂縫的幾率很大,其沿中性軸呈 30°-45°發(fā)生。剪切裂縫主要是由主拉應(yīng)力引起的,對箱梁結(jié)構(gòu)的剪切破壞危害極大,不可忽視。
剪切裂縫必然發(fā)生在剪切破壞的部位,一般剪切破壞分三種形態(tài),即斜拉破壞、剪壓破壞、斜壓破壞。斜拉破壞是脆性破壞,設(shè)計(jì)中需要特別注意;斜壓破壞相比斜拉破壞要好些,但是破壞前也無明顯征兆;剪壓破壞相比前兩者而言稍微好些,其破壞不是突然發(fā)生的,但也應(yīng)該加以考慮。
相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抵抗剪切破壞的能力較強(qiáng),因其預(yù)應(yīng)力可以抵消部分主拉應(yīng)力,可以推遲斜裂縫的發(fā)生和發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件中,只要能合理配置預(yù)應(yīng)力鋼束,則可以控制主拉應(yīng)力,使主拉應(yīng)力低于混凝土的抗拉強(qiáng)度,從而遏制斜裂縫的發(fā)生。
2.2.2 腹板裂縫
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板裂縫,一般有以下幾種形式[4]:主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫、邊跨梁端腹板斜裂縫、豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫等。
1) 主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫,主要分布在距梁端和墩中心線 L/4 附近的腹板上,與縱橋向中性軸呈 45 度左右的夾角,距墩中心線 L/4 附近的腹板上剪應(yīng)力過大,使得此處的腹板抗剪能力不足,抗主拉應(yīng)力的安全儲(chǔ)備考慮不全,造成了此處發(fā)生主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫。梁端變低會(huì)導(dǎo)致豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的長度變短,將會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失,如果豎向預(yù)應(yīng)力損失過大,那么將會(huì)造成腹板的主拉應(yīng)力降低,導(dǎo)致箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫。
2) 邊跨梁端腹板斜裂縫
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨梁端的受力比較復(fù)雜,此處又是項(xiàng)、底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的集中錨固區(qū),很容易發(fā)生應(yīng)力集中引起的局部蠕變,從而引起各種各樣的裂縫。因邊跨梁端的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束比較短,預(yù)應(yīng)力損失存在很多無法考慮周全的因素,一旦豎向預(yù)應(yīng)力損失過大,將造成梁端腹板發(fā)生主拉應(yīng)力裂縫。如果此處的彎起束和下彎束配置得不是很合理,也相當(dāng)容易造成腹板斜裂縫。
3) 豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫
豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫,一般位于邊跨梁端和中跨
L/4 至 3L/4 范圍內(nèi),水平裂縫沿腹板上緣,斜向裂縫與縱橋向水平線呈大約 45°夾角。這類裂縫產(chǎn)生的原因是腹板豎向正應(yīng)力和腹板主拉應(yīng)力共同作用導(dǎo)致。
綜合考慮,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)中,可以先采用平面分析法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)計(jì)算和分析,再采用空間分析法分析梁體重要局部、某些受力復(fù)雜的部位、實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)問題的部位等,比如 O 號(hào)塊、錨固端、鋸齒塊局部、邊跨梁端附近截面、L/4 跨附近截面等。采用這樣的設(shè)計(jì)理念,既能考慮到連續(xù)剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)的整理受力和一般力學(xué)特性,而且也能詳細(xì)分析到實(shí)際工程中出現(xiàn)問題的局部受力情況。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中,這樣的設(shè)計(jì)方法是可行的,而且也能夠很好地解決目前連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫的問題,是比較合適的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)為了從一定程度上防止主梁下?lián)虾土后w裂縫的發(fā)生,可增加縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的配置量,從而提高預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備,并且需設(shè)置一定量的備用束等。
[1]楊高中.連續(xù)剛構(gòu)橋在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J].公路,第6期,1998.
[2]周軍生.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國公路學(xué)報(bào),2000.
[3]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社.2001.
[4]范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊)[M].北京:人民交通出版社,1996年第二版