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预应力混凝土箱梁桥温度效应研究和裂缝防治措施
摘要:针对混凝土预制箱梁在各个施工阶段的日照温度场进行监测，取得施工各阶段混凝土预制箱梁的日照温度场分布资料，利用所提出的混凝土预制箱梁温度梯度计算模式进行桥梁温度应力计算，并与利用相关规范规定的计算模式所得温度应力结果进行对比分析和对预应力混凝土连续箱梁桥出现裂缝比较普遍的现状，分析了常见的裂缝形式及其成因，指出目前用于箱梁计算的平面杆系理论或空间梁格理论的局限和不足，提出用梁段单元空间分析法对箱梁进行计算;总结设计经验和教训，借鉴钢析梁和箱梁裂缝加固比拟法，对预应力混凝土连续箱梁桥的构造设计提出了建议，并对容易导致裂缝的施工环节提出了具体的要求。
关键词:温度效应；裂缝；箱梁；梁段单元法；构造设计
针对混凝土预制箱梁在各个施工阶段的日照温度场进行监测，取得施工各阶段混凝土预制箱梁的日照温度场分布资料，利用所提出的混凝土预制箱梁温度梯度计算模式进行桥梁温度应力计算和对目前预应力混凝土连续箱梁桥出现裂缝问题比较普遍的现状，并考虑该问题涉及到设计、施工、监理等各个方面，因此浙江省公路局会同有关单位对该类桥梁裂缝问题做了大量调查研究工作，并对调查研究工作过程中所发现的问题进行了分析，总结出若干结论，以供设计、施工、监理等参考。
1.研究分析混凝土预制箱形梁在各施工阶段的日照温差作用下，箱梁温度梯度随时间变化在箱梁横向和箱梁截面高度方向的变化模式。
通过试验资料的整理工作，总结混凝土预制小箱梁温度场和温度梯度的特点，通过试验资料的分析，提出混凝土预制箱梁的温度梯度计算模式，并与相关规范规定的计算模式进行对比分析。
利用所提出的混凝土预制箱梁温度梯度计算模式进行桥梁温度应力计算，并与利用相关规范规定的计算模式所得温度应力结果进行对比分析，在分析研究的基础上，为设计、施工和桥梁健康评测等工作提出若干建议。
2.主要裂缝形式及其原因： 裂缝常见形态及分布如下:(1)预应力混凝土连续箱梁主要结构性裂缝均分布于距支座L/《L-跨度)附近的腹板上，约呈45。分析认为出现这种裂缝主要是由于箱梁支座附近剪应力过大，腹板抗剪强度不足，以及主拉应力方向安全储备考虑不充分等因素所致。(2)箱梁顶底板的纵向裂缝和横向裂缝。分析认为这种裂缝主要是由于梁弯曲应力和 21
板局部应力估计不足而产生。
3.设计计算理论的改进
(l)目前预应力混凝土连续箱梁桥计算软件多数按平面杆系单元编制，也有按梁格理论考虑空间计算，但它们均不能完全反映预应力混凝土连续箱梁桥结构受力特性，因此有必要按梁段单元编制空间分析程序，充分考虑箱梁畸变、剪滞、板局部弯曲、混凝土收缩徐变及温度作用，计算分析预应力混凝土连续箱梁桥极限承载力和正常使用极限状态。
例如:目前出现常规性裂缝的部分已建预应力混凝土连续箱梁桥按平面杆系单元计算其配筋和混凝土强度均满足规范要求，但按梁段单元进行空间分析校核时，发现其裂缝处主拉应力或正应力超过了规范允许值。
运用ANSYS国际标准通用有限元分析软件对省内高速公路某预应力连续箱梁大桥做了分析，并对平面与空间有限元分析的结果进行了比较，结果明显大于平面分析结果，并且平面分析的第一主应力均为绝对值较小的压应力，而空间分析结果均为拉应力。可见，虽然按平面分析时的计算结果都为压应力，均满足规范要求，但按空间分析得到的结果都为拉应力，且绝大部分的拉应力值超过了规范容许值.(2)应进一步深人理解高强度混凝土的力学特性，设计时必须控制好材料的拉应力和压应力。例如:对比国外桥规，我国现行桥规混凝土拉应力和压应力取值均存在不同程度的偏高口，混凝土主拉应力取值偏高约2倍，混凝土压应力取值偏高约5一20%，且活荷载取值偏低约25一30%。因此按现行桥规设计桥梁时建议适当降低混凝土使用应力和提高安全系数为妥。
(3)对混凝土的温度应力要有正确的认识，在现行桥规不尽合理的情况下，设计人员进行温度应力分析时，可以借鉴国外桥规相关规定及铁道部关于箱梁桥温度分布测试研究得出的温度梯度模式。
(4)进行预应力混凝土连续箱梁桥设计计算时，除考虑温度应力外，还应考虑混凝土徐变与收缩应力、支座沉降、荷载冲击系数和荷载应力。
(5)理论计算模型与实际结构总是存在着一定的“差异”，由此导致计算结果与结构的实际应力的误差，因此，在具体进行预应力连续箱梁桥设计时，要求结构各截面的应力应具有一定的安全储备。
4.设计构造的建议由于现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023一85)的许多内容明显滞后于当前的工程实践，有些条款实际是基于简支梁桥制定的，因此难以及时指导迅速发展的工程实践。鉴于这种情况，预应力混凝土简支箱梁桥的设计构造除应认真研究利用现行公路桥梁设计规范外，还应该结合设计经验和教训，积极借鉴钢析梁和箱梁裂缝加固比拟法思想和国家 22
其他部门制定的相关标准及有关国外标准。
(1)工程类比思想—比拟法的引用：A、钢析梁桥抵抗剪力比拟法铁路上的武汉长江大桥、九江长江大桥、芜湖长江大桥均属连续钢析梁桥，其剪力由斜腹杆承受，扭转和畸变由主析架平联、桥门架、横联承受，假如钢析梁四周布置钢筋，浇一层混凝土，就可抽象为连续钢析梁骨架混凝土箱梁桥；B、预应力混凝土连续箱梁裂加固比拟法根据文献可知，如果在直裂缝方向每隔30cM粘贴钢板条，对比钢筋混凝土梁桥配筋要求，所粘钢板条正好和抗剪钢筋受力一致。因此，参照钢彬梁桥设有专门抗和抗扭构造，及预应力混凝土连续箱裂缝加固增设抗剪钢板条，采用工程比法思想，预应力混凝土连续箱梁桥缝防治办法可借用上述抗剪和抗扭造，解决其混凝土强度等不足的问题。
(2)其他设计构造措施
A、重视非预应力钢筋的配置非预应力钢筋包括纵向分布钢筋或受力钢筋，特别是箍筋和抗裂钢筋(对构件的抗剪、斜截面强度和主拉应力的贡献是非常大的，而且混凝土强度等级越高，箍筋的套箍作用越显著)。如美国桥规(l994年版)规定:①在斜裂缝极有可能出现的所有区域中需要设置横向钢筋(最好设置与裂缝垂直的斜箍筋)。②横向钢筋根据结构受力情况可设置与受拉纵筋成不小于45。度的斜箍抗裂钢筋，并与垂直钢筋(与构件轴线垂直)焊接成钢筋网。
B、加强端隔墙和支座隔板端隔墙和支座隔板是抵抗箱梁畸变与扭转的根本构件。为防止端隔墙和支座隔板的开裂，建议隔墙或隔板开口为椭圆形，并为椭圆形配置构造钢筋。
C、提高钢筋与混凝土的粘结力采用较小直径的钢筋，分散布置，尽量使用螺纹钢筋，避免采用光面钢筋，这些措施可有效提高钢筋与混凝土的粘结力，可避免裂缝或使裂缝间距和宽度较小。
D、重视抵抗局部应力的配筋在锚固区，预应力筋弯起处等部位加强配筋，可以有效防止产生顶、底板的齿板裂缝和曲束裂缝。当梁高大于1时，为控制梁的腹板收缩裂缝，在腹板两侧沿梁高应布置一定数量的纵向水平钢筋。
5.几施工养护的措施
(1)混凝土质量引起的非结构性裂缝，可采取如下防治措施:定期测定砂、石料含水量，严格控制水灰比和骨料级配及砂、石含杂质和泥量，这是混凝土质量的基本保证，也是现阶段施工中最易忽视的问题，施工监理单位必须严格把关，其次混凝土施工工艺必须按规范执行，结构内部布置防裂钢筋，以提高混凝土的抗裂性能。
(2)温度应力引起的非结构性裂缝，可采取如下防治措施:设计时应重视温度应力的影响，可采取施加横向预应力、配置足够的温度应力钢筋、增加结构的安 23
全储备等措施来防止裂缝的产生。
(3)混凝土收缩应力引起的裂缝，可采取防治措施:施工时严格控制混凝土配合比，不应为了提高混凝土强度(或早期强度)用增加水泥用量的办法，使用减水剂应谨慎合理，同时加强振捣以减少水化热，大体积混凝土应采取分层浇筑的方法。重视馄凝土的养护工作，尤其是初期养护，因为浪凝土的初期养护条件直接影响其抗拉强度增长的快慢，如混凝土的收缩应力最初阶段没有引起混凝土开裂，随着时间的延续，由于混凝土徐变的影响，收缩应力将会减小，产生收缩裂缝的可能性也就减小。
(4)施工不当引起的裂缝，可采取如下防治措施: 改进施工方法和施工工艺，例如:竖向预应力筋由于伸长量小，混凝土收缩回弹量大，必须反复张拉，以确保实际竖向预应力达到设计要求;横隔板裂缝应通过改善临时固结支座的布置，有效地限制裂缝的产生，同时在横隔板内布置加强钢筋或钢筋网，以提高横隔板的强度和刚度;另外，通过在桥面铺装层增设横向钢筋，加强桥面板与桥面铺装层的粘结，可达到减少裂缝的目的。
6.结语
根据预应力混凝土简支箱梁桥产生裂缝原因分析及防治措施的研究，可以综述如下:(1)通过对混凝土预制小箱梁桥三个施工阶段日照温度场的实桥观测，确定了各个施工阶段对混凝土预制小箱梁日照温度场的影响方式和影响大小；确定了混凝土预制小箱梁日照温度场和温度梯度的特点，为混凝土预制小箱梁桥的研究和设计工作提供了定性指导；通过对实桥项目三个阶段的温度观测及观测数据的整理，得出了混凝土预制小箱梁桥日照温度场分布特点的几个结论，其中，混凝土预制小箱梁桥桥面铺装对箱梁日照温度场影响较大对于小箱梁组合截面梁桥，边箱梁的内侧与外侧温度场差异较为明显等特点对今后的研究及设计工作具有参考作用。
(2)关键是在设计时，认真计算和验算，合理布置预应力筋和构造钢筋。在现行设计规范、设计手册的基础上，采用空间梁段单元计算方法(但普通梁单元并不能全面反映混凝土梁畸变，面外弯曲和主拉应迹线等计算，应采用应变连续的空间梁段单元进行分析才行)。参照国家标准或国外桥规，针对主要结构性裂缝形式及原因，建议预应力混凝土连续箱梁桥设计方法在原设计方法的基础上增强构造措施和配置适量预应力钢筋及足够数量的非预应力钢筋的办法处理，防止结构性裂缝。
(3)其次是严格控制施工过程和施工工艺，确保施工质量，尽可能避免开裂或减少非结构性裂缝，同时对非结构性裂缝妥善处理，控制裂缝发展，封闭裂缝，使裂缝不至子对结构产生过大的危害，保证结构的正常使用。
总之，对于预应力混凝土连续箱梁桥的裂缝问题，设计、施工和监理人员都应该严格把关，针对各种具体情况采取必要的措施。
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预应力混凝土连续箱梁桥裂缝控制[ 录入者：zxl1921 | 时间：2006-07-18 12:35:08 | 作者：彭 卫, 施 颖, 张新军 | 来源：混 凝土 ] [上一篇] [下一篇]近年来,大跨径预应力混凝土......
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