■ 劉學(xué)強
(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司, 福州 350108)
近年來,國內(nèi)各大中城市的基礎(chǔ)設(shè)施涌現(xiàn)出大量城市高架橋的建設(shè),出于景觀效果及橋下凈空要求,橋梁大部分采用現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu),同時工期要求緊張,高架橋的預(yù)應(yīng)力張拉方式選擇會嚴重影響工期。 因此,橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計時,往往會考慮腹板索在梁端的地方頂板開槽上翹張拉[1]。 這種類型的索型張拉方式在梁端下緣存在預(yù)應(yīng)力空白區(qū),導(dǎo)致梁端腹板下緣預(yù)應(yīng)力富余較少,對于寬橋的空間效應(yīng)影響更大。 施工過程中,沒有注意養(yǎng)護,水化熱和腹板內(nèi)外收縮差產(chǎn)生較大的表面拉應(yīng)力,最終在梁端產(chǎn)生腹板豎向裂縫的問題。
目前,國內(nèi)很多學(xué)者針對此類預(yù)應(yīng)力張拉索型的橋梁且已出現(xiàn)豎向裂縫的問題進行了大量的研究分析[2-5],認為梁端邊腹板外側(cè)預(yù)應(yīng)力度的不足使得這一區(qū)域成為類似普通鋼筋混凝土箱梁的結(jié)構(gòu),梁端較厚的腹板加劇了水化熱和收縮,當拉應(yīng)力超過當時混凝土的抗拉強度時,就形成了腹板豎向裂縫,基于這種背景,提出了本文的研究課題。
本項目左幅橋Z17~Z19 聯(lián)箱梁跨徑為2×38 m,采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。 單箱四室截面,梁高2 m,標準段箱梁頂板寬24.5 m,研究中模型均按等寬箱梁進行驗算。 箱底寬18.5 m,懸臂長2.5 m。 頂板厚25 cm,底板厚25 cm,邊腹板厚45~85 cm,中腹板厚45~105 cm,跨中設(shè)置一道30 cm 厚隔板,中支點設(shè)2 m 厚橫梁,端支點設(shè)1.5 m 厚橫梁。 箱梁按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計。 腹板索采用Φs15.2-19 的鋼束, 在梁端頂板開槽張拉, 底板短索采用Φs15.2-12 的鋼束,頂板短索采用Φs15.2-9 的鋼束,具體預(yù)應(yīng)力鋼束布置詳見圖1~3。
圖1 腹板索張拉立面圖(單位:cm)
圖2 頂、底索張拉立面圖(單位:cm)
圖3 箱梁預(yù)應(yīng)力索橫斷面圖(單位:cm)
項目中已澆筑完成的箱梁每聯(lián)特定位置出現(xiàn)一定程度的開裂,根據(jù)橋梁外觀裂縫記錄資料,橋梁箱梁多處外腹板發(fā)生裂縫,裂縫位置、形態(tài)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。 裂縫性質(zhì)形狀(圖4)及分布特點如下:
(1)箱梁裂縫均以豎向裂縫為主;
(2)裂縫出現(xiàn)位置為各聯(lián)距梁端2~6 m 范圍;
(3) 裂縫僅出現(xiàn)在箱梁邊腹板外側(cè)及底板外側(cè),中幅板及邊腹板內(nèi)側(cè)未見裂縫;
(4) 單條腹板裂縫長度為0.46~1.01 m, 寬度0.06~0.30 mm;單條底板裂縫長度為0~2.1 m,裂縫寬度0.08~0.23 mm。
圖4 裂縫性狀示意圖
以主線左幅橋Z17~Z19 聯(lián)箱梁跨徑2×38 m 為例, 通過建立全橋空間Midas 模型進行計算分析,總共劃分76 個梁單元,結(jié)構(gòu)計算模型如圖5 所示。
圖5 全橋空間計算模型
(1)正截面抗裂驗算
箱梁出現(xiàn)的均為外腹板外側(cè)豎向裂縫及底板橫向裂縫,出現(xiàn)裂縫的位置均位于距離梁端2~6 m區(qū)段(以下簡稱重點關(guān)注區(qū)段),因此重點關(guān)注該區(qū)段內(nèi)箱梁下緣正截面應(yīng)力情況,使用階段正截面抗裂驗算(頻遇)包絡(luò)圖見圖6。
A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用(荷載)頻遇效應(yīng)組合下,應(yīng)符合下列條件[6]:
圖6 使用階段正截面抗裂驗算(頻遇)包絡(luò)圖
A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在作用(荷載)準永久效應(yīng)組合下,應(yīng)符合下列條件:
重點關(guān)注區(qū)段下緣最不利應(yīng)力情況:
底緣σst-σpc=-0.130 MPa (壓應(yīng)力)≤0.7ftk=1.855 MPa(拉應(yīng)力),滿足規(guī)范要求。
(2)斜截面抗裂驗算
使用階段腹板斜截面抗裂驗算包絡(luò)圖見圖7。
圖7 使用階段腹板斜截面抗裂驗算包絡(luò)圖
A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,應(yīng)符合下列條件:
現(xiàn)場澆筑(包括預(yù)制拼裝)構(gòu)件:σtp≤0.5ftk
σtp=0.900 MPa(拉應(yīng)力)≤0.5ftk=1.325 MPa(拉應(yīng)力),滿足規(guī)范要求。
由平面桿系計算結(jié)果可知,箱梁結(jié)構(gòu)總體安全性能滿足規(guī)范要求。 針對重點關(guān)注區(qū)段下緣正截面抗裂性能, 頻遇組合下緣最不利應(yīng)力為-0.13 MPa壓應(yīng)力(限值為1.86 MPa 拉應(yīng)力);準永久組合下緣最不利應(yīng)力為-0.43 MPa 壓應(yīng)力(限值為0,不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力)。
平面桿系模型為常規(guī)縱向整體分析,傳統(tǒng)的平面計算方法無法真實模擬預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的空間受力,因此為了研究常見荷載或作用對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋受力的影響,克服平面計算方法的缺陷[7],為體現(xiàn)箱梁的局部應(yīng)力問題,進一步確定重點關(guān)注區(qū)段產(chǎn)生裂縫的原因,分析箱梁各腹板局部應(yīng)力差異等,采用Midas FEA 建立典型聯(lián)箱梁的空間有限元實體模型,分別見圖8~9。
圖8 實體模型頂視圖
圖9 重點關(guān)注區(qū)段局部視圖
本文僅示部分重點關(guān)注區(qū)段的計算結(jié)果,空間實體模型應(yīng)力計算圖分別見圖10~13。
(1)恒載及預(yù)應(yīng)力作用下應(yīng)力情況(圖10~11)
圖10 恒載+預(yù)應(yīng)力作用應(yīng)力圖(單位:MPa)
圖11 恒載+預(yù)應(yīng)力作用應(yīng)力圖(單位:MPa,腹板內(nèi)外局部)
(2)箱室內(nèi)外側(cè)溫差應(yīng)力情況(圖12~13)
圖12 箱室內(nèi)外溫差應(yīng)力圖(單位:MPa)
圖13 箱室內(nèi)外溫差應(yīng)力圖(單位:MPa,腹板內(nèi)外局部)
(1)在恒載加預(yù)應(yīng)力工況下,邊、中腹板腹板位置局部最大應(yīng)力差達1.2 MPa, 底板位置局部最大應(yīng)力差達1.0 MPa; 邊腹板內(nèi)外側(cè)局部最大應(yīng)力差可達1.0 MPa,中腹板兩側(cè)應(yīng)力水平相當。
(2)在箱室內(nèi)外側(cè)溫差工況下,邊腹板外側(cè)拉應(yīng)力可達0.9~1.2 MPa, 底板拉應(yīng)力可達0.3~2.5 MPa,且邊、中腹板及各腹板兩側(cè)呈現(xiàn)出較大的差異性。
為了探討裂縫產(chǎn)生原因, 本次驗算除了采用常規(guī)平面桿系模型外, 還對箱梁進行空間有限元分析。
(1)分析結(jié)果表明,在恒載及預(yù)應(yīng)力作用下,箱梁內(nèi)、外腹板受力存在較大偏差,其中外腹板比中腹板應(yīng)力差在1.2 MPa 左右,導(dǎo)致邊腹板的安全儲備降低,但這種不均衡性不影響整體結(jié)構(gòu)安全。
(2)開裂區(qū)域附近,在箱梁內(nèi)外溫差作用下,邊腹板混凝土表面自約束最大拉應(yīng)力為1.93 MPa,自約束應(yīng)力為自平衡力,僅會導(dǎo)致局部表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,不產(chǎn)生縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)力,不影響結(jié)構(gòu)安全。
(1)箱梁腹板預(yù)應(yīng)力索采用頂板開槽錨固雖然便于施工,但該配索方式導(dǎo)致大量腹板索上彎錨固至梁頂,造成腹板索上彎區(qū)域(距離邊支點4~6 m處)截面下緣富余壓應(yīng)力水平降低,安全儲備減少。
(2)開裂區(qū)域腹板縱向普通鋼筋配筋較少,抗裂性能較弱。
(3)若施工過程中,出現(xiàn)較大支架非彈性變形、混凝土養(yǎng)護不規(guī)范等情況,會進一步加大箱梁局部開裂的風(fēng)險。
針對該主線寬橋裂縫出現(xiàn)的位置及原因分析,該工程箱梁結(jié)構(gòu)總體安全性能滿足要求;箱梁開裂原因是局部受力問題,是在結(jié)構(gòu)易開裂區(qū)段,疊加上局部受力不均衡、溫度效應(yīng)及可能出現(xiàn)的施工不利因素等共同作用下產(chǎn)生的。
針對已開裂的梁體,應(yīng)委托有關(guān)單位進行專項加固設(shè)計;對于未施工的梁體,針對薄弱環(huán)節(jié)加大安全儲備設(shè)計,可采取裂縫防治措施:
(1)預(yù)應(yīng)力腹板索頂板開槽張拉方式可以優(yōu)化為梁端大槽口張拉方式,避免了梁端下緣存在預(yù)應(yīng)力空白區(qū)。
(2)取消底板索(張拉端距梁端4~6 m),增設(shè)底板短索(穿過梁端下緣錨固于梁端),加強了梁端下緣預(yù)應(yīng)力空白區(qū)預(yù)應(yīng)力的富余。
(3)增設(shè)外邊腹板縱向鋼筋,加強外邊腹板普通鋼筋抗拉截面面積。
通過采取優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束索型、加強箱梁腹板構(gòu)造鋼筋設(shè)置等方法,提高結(jié)構(gòu)抗裂性能,降低開裂風(fēng)險。