预应力混凝土连续刚构桥14跨箱梁裂缝成因分析.docx
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预应力混凝土连续刚构桥14跨箱梁裂缝成因分析
预应力混凝土连续刚构桥14跨箱梁裂缝成因分析
摘要
随着我国交通行业的不断发展，大跨度的预应力混凝土连续刚构桥得到了普遍地应用。
由于设计理论和施工质量等原因，部分预应力连续刚构桥在施工过程中或者建成运营中出现箱梁开裂的现象，尤其是腹板开裂比较严重。
裂缝的频繁出现阻碍了连续刚构桥更好的发展，也对桥梁结构的安全性、耐久性和使用寿命产生了非常不利的影响。
本文以某长江大桥为依托，对连续刚构桥箱梁腹板裂缝产生的原因进行分析研究，同时也提出了一些预防裂缝出现的措施。
本文查阅了大量文献资料，在国内外已有的研究成果上，对预应力混凝土连续刚构桥箱梁腹板裂缝的成因进行理论分析。
然后通过空间有限元软件MIDAS／CIVIL建立全桥模型对全桥箱梁的腹板受力状态进行应力验算。
利用MIDAS／FEA建立本桥L／4跨附近三个块段局部三维实体模型分析局部箱梁腹板的应力状态，充分考虑了各种因素对裂缝产生的影响，重点分析了箱内外温度差和相邻块段龄期差异对腹板开裂的影响。
同时对依托桥梁结构箱梁腹板进行现场调查，以验证有限元模型的计算分析结果的准确性。
针对腹板产生裂缝成因提出一定的措施预防裂缝的产生。
本文通过有限元模型的计算分析结果表明：
①全桥模型对箱梁腹板的应力验算满足规范容许值，全桥整体升降温以及竖向温度梯度对腹板的开裂影响不大。
全桥模型对局部箱梁腹板的应力状态分析不够准确。
②局部模型分析得出各个单项荷载对腹板开裂影响不大，几个单项荷载的组
合工况可以看出腹板内外温差对腹板应力状态的影响所占比例较大。
③施工原因造成两块段的间隔时间较长，后浇筑的块段在交界面处受到上一块段的收缩约束拉应力。
交界面处主拉应力随着两个块段的龄期差异增大而变大，超过抗拉极限强度就会产生腹板裂缝，同时组合腹板内外温差使得腹板主拉应力更大，这也是本桥箱梁腹板开裂的主要原因。
关键词：
连续刚构，箱梁，腹板裂缝，有限元分析，收缩约束拉应力
万方数据
ABSTRACT
W弛thedevelopmentoftransportation
infrastructure，largespanprestressed
concreteco加nuousrigidframebridgehasbeenwidelyused．Becauseofthedesi2n
tneo巧andconstmctionqualityorotherreasons，Partiallyprestressedcontinuous
rigid
渤mebnQgeappearsboxgirdercrackingphenomenatheconstruction
duringor
completlonoperations，especiallywebcrackismoreserious．Cracks印Pears矗equentlvnamperedthecontinuousrigidframebridgebetterdevelopment，alsohasanegative1mp∞tonthesafetyofthebridgestructure，durabilityandservicelife．TheprojectrelvonanactualYangtzeRiverBridge，analyzesthereasonsofthecontinuousRigidGirderBridgewebcracks，alsoraisessomemeasurestopreventcracksoccu州n2．
Intnjspaper,alargenumberofdocumentsischecked
out，ontheexistingresearch
resuIts·analyzesthewebcrackscausesoftheprestressedconcretecontinuousrigid
framebridge·ThenthroughspacefiniteelementsoftwareMIDAS／CIVILestablishes
the如Ubridgemodelchecksthewholebridgethewebboxgirderstresssrate．UsetheMIDAS／FEAestablishesthelocalthree．dimensionalsolidmodelofthetl鹏ebJocksnearthebridgeL／4cross’section，analyzesthepartialstressstateoft11eboxgirderwebs～ullyconsiderstheimpactofvariousfactorsoncrack．Focusonthe砌uence0fthetemperaturedifferencebetweeninsideandoutsidetheboxandtheadjacentbl。
cksegmentsagedifferencesonwebcracking．Atthesametimereliesonmestmcnlreofthebridgeboxgirderweb·siteinvestigationtovalidatetheaccuracyoftheanalysisresultthatthefiniteelementmodelcalculated．Forthereasonsofweb
cracks，proposes
certainmeasurestopreventcracks．
Thispapershowsthefiniteelementmodelcalculatingandanalysisingresults：
④ThestresscheckingofthewebofboxgirdercansatisfythestarldardaIlo、va【bleValueofthewholebridgemodel，theoveralltemperatureofthewh01ebridgeandⅡ1evertlc甜temperaturegradienthavelittleeffectonthecrackingoftheweb．Themodel
onthefullbridgecrackofboxbeamwebanalysisisnotaccurateenough．
②Thelocalmodelanalysisshowsthattheindivid砌loadhaslittleefiectonthe
crackofwebplate，thecombinationofseveralsingleloadconditions
canbeseenⅡlat
the1nfluenceofthetemperaturedifferencebetweenthewebandtheinsideandoutsideofthewebonthestressstateofthewebislarger．
II
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⑨Theconstructioncausestheintervaltimebetweentwoblocks．andthepostcastingblocksectionissubjectedtothecontractionoftheupperpartoftheinterface．Attheinterfaceofprincipaltensilestresswiththeincreaseofthetwoblocksofdifferentagesandlarger,morethanultimatetensilestrengthwillproducecracksinthewebs，butacombinationofthetemperaturedifferencebetweeninsideandoutsideofthewebmakeswebprincipaltensilestressgreater,whichisthebridgeboxbeamwebcrackingofthemainreasons．
KEYWORDS：
continuousrigidframe，boxgirder,webcrack，finiteelementanalysis，contractionandboundarystress
III
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第一章绪论。
l
1．1引言l
1．2连续刚构桥发展概述及特点l
1．2．1连续刚构桥发展概述．．1
1．2．2连续刚构桥特点及发展趋势．．4
1．3国内外预应力箱梁裂缝的研究现状5
1．4本文的研究内容和方法7
第二章箱梁结构裂缝机理及分析理论。
8
2．1箱型截面理论分析8
2．1．1箱型截面的特点一8
2．1．2箱型截面的构造．．9
2．1．3箱梁的受力特性10
2．2预应力混凝土箱梁裂缝理论分析研究一12
2．2．1粘结滑移理论13
2．2．2无滑移理论15
2．2．3综合理论16
2．3箱型梁分析方法．．17
2．4本章小结．．18
第三章混凝土结构裂缝成因分析19
3．1混凝土结构裂缝分类．．19
3．2连续刚构桥箱梁腹板常见裂缝～20
3．2．1腹板斜裂缝20
3．2．2腹板水平裂缝21
3．3预应力混凝土箱梁腹板裂缝成因．．22
3-3．1温度应力23
3．3．2竖向预应力27
3．3．3纵向预应力28
3．3．4混凝土收缩、徐变28
3．4混凝土裂缝对耐久性的影响．．29
3．5本章小结一30
第四章全桥有限元模型分析．31
Ⅳ
万方数据
4．1工程概况一31
4．2全桥有限元模型建立一32
4．2．1模型简介32
4．2．2主要计算参数34
4．3全桥计算结果分析37
4．3．1正常使用阶段抗裂验算37
4．3．2持久状况应力验算40
4．4温度的影响分析及结果．．41
4．5本章小结46
第五章预应力连续刚构桥腹板裂缝成因分析47
5．1裂缝分布特征与产生过程一47
5．1．1裂缝分布特征47
5．1．2裂缝发展过程50
5．2预应力连续刚构桥腹板裂缝成因分析一50
5．2．1局部模型建立51
5．2．2计算结果及分析52
5．2．3龄期差异对腹板裂缝的影响分析60
5．3腹板裂缝预防措施一66
5．3．1采用合理的设计方法66
5．3．2合理设计箱梁截面尺寸67
5．3．3加大预应力储备67
5．3．4温度应力的影响68
5．3．5完善施工工艺68
5．5本章小结．．69
第六章结论与展望．70
6．1结论．70
6．2展望．71
致谢．．．72
参敬献73
在校期间发表的论著及取得科研成果．．76
N
万方数据
第一章绪论
第一章绪论弟一早硒比
1．1引言
近十年来国家大力推进基础设施的建设，桥梁事业同样随着蓬勃发展。
伴随着桥梁设计、施工工艺和材料技术的发展，再加上高速公路对工程质量和运营性能要求的提高，预应力连续刚构桥因为结构轻盈美观、箱形截面刚度大，有利于高速行车的优势，在众多桥型中脱颖而出并得到普遍应用。
这些桥主跨度都在250m以上，说明我国大跨度预应力混凝土连续刚构桥的设计和施工水平在国际上也占有一席之地。
虽然我国经济一直保持高的增长率，但国内相比国外基础建设还需要不断发展。
预应力混凝土连续刚构桥凭借其良好的结构性能、简单的施工工艺以及好的跨越能力，已经逐步地在我国基础建设中应用，目前我国已经修建了许多达到世界一流水平的大跨度预应力混凝土连续刚构桥。
可是因为研究理论不够全面、施工质量问题频发、车辆超载严重以及管理养护单位不作为等方面的原因，国内很多预应力混凝土持续刚构桥在每个节段浇筑过程中或者建成通车后，广泛地发现各种不同性质的裂缝。
其中箱梁裂缝居多，主要形式有：
腹板斜向开裂、竖向开裂、梗腋处水平方向开裂，跨中下缘、根部箱梁上缘横向开裂，箱梁上、下缘纵向开裂，底板预应力锚固处开裂，温度应力裂缝等非结构裂缝心1。
在箱梁结构中，
腹板斜向开裂比较广泛，也是最难处理的。
上述裂缝的存在不但可以减弱箱型桥
构造的强度和刚度，而且会加快钢筋的腐蚀，影响箱形桥的耐久性。
因而研究混凝土箱形梁裂缝出现以及发展机理对箱梁桥构造的加固修复乃至今后同类桥型结构的设计、施工同样是至关重要的。
1．2连续刚构桥发展概述及特点
1．2．1连续刚构桥发展概述
简支梁、悬臂梁桥和连续梁早就在公路建设当中广泛地采用，简支梁合理跨径为20m左右，悬臂梁桥合理跨径约为45m口1。
但这几种桥型受限于施工技术和材料工艺，无法向大跨径发展。
随着预应力技术和悬臂浇筑施工工艺的优化改进，使得大跨径桥梁快速地发展。
上一个世纪30年代初，预应力技术同箱形梁结构的完美结合，很大程度上改进了箱梁构造的受力性能，促进其构造的抗裂性和整体性。
随着高强混凝土和高
万方数据
重庆交通大学硕士学位论文
强钢筋等高强材料进一步在混凝土结构中的应用，使得混凝土结构截面尺寸变小，自重减小，这对大跨径桥梁的发展非常有利H1。
虽然这些技术还是局限于中小跨径的梁桥，然而预应力技术成功运用还是为今后大跨径的快速发展提供了可能性。
上世纪60年代初，传统的钢桥悬拼技术成功克隆到梁桥建设当中。
并结合混凝土箱梁桥的构造特点进行改造升级，形成了现在常用的悬臂平衡施工法陆1。
这种施工方法的不断应用直接推动了T形刚构桥这种新的桥型出现。
1953年，联邦德国修建了一座T形刚构桥一W．oms桥，主跨为114．2m哺3。
T形刚构桥在进行悬臂施工时，如何使得施工过程中结构两端保持平衡显得尤为关键，然而传统的悬臂施工
是将桥墩与主梁临时固定的，这样就很难维持体系的绝对平衡。
由于其在两端对称悬臂浇筑中难免会产生不平衡弯矩，因此桥墩通常设计的比较厚重，通过其自身比较大的抗弯刚度来抵抗或者消除不平衡弯矩。
20世纪中后期，其发展更加快速，日本的蒲户大桥和滨名大桥，我国主跨124m的广西柳州大桥、主跨144m的福建乌龙江大桥和主跨270m的重庆长江大桥，都是此类桥梁。
随着高速公路建设的快速发展，由于行车舒适度以及桥梁需要布置很多伸缩缝等原因使得T型刚构桥不能更好地满足社会要求，连续梁桥得到了快速发展。
连续梁桥通常只在桥梁结构两头有伸缩缝，有助于提高行车舒适度，但是在悬臂施工中须要墩梁暂时固结和体系转换；同时需要大吨位支座，养护费用和工作量都很大Ⅲ。
结合了T形刚构和连续梁两者优点，一种新兴的桥梁类型应运而生一预应力混凝土连续刚构桥。
20世纪70年代，世界上第一座主跨208m带铰的连续刚构桥Bendorf桥在联邦德国建成。
20世纪80年代，巴拉圭建成的Asmcion桥，主跨为l70m；澳大利亚建成的Gate．way桥，主跨为260m；这些都是连续刚构桥。
而后的美国休斯敦桥，瑞典的Biaschina桥也相继建成呻3。
我国1998年修建了主跨为180m的洛溪大桥，是第一座在国内修建的大跨度连续刚构桥。
在该桥上采用了大吨位预应力体系，也为国内今后连续刚构桥的快速发展开创了先例。
1997年建成的主跨为270m的虎门大桥辅航道桥（图1—1）是中国连续刚构桥发展的又一座
里程碑的桥梁，在预应力束布置上，彻底取消连续束和弯起束，仅有少量钢束在边跨梁端因受力需要而弯起，这座桥在无论是设计和施工上还是理论研究上都获得了很大的突破。
上述桥梁的成功告成推动其不断地成长，成为其他类型桥梁的
强有力竞争者。
表1．1和表1．2分别列出了国内外典型的大跨度混凝土连续刚构桥。
从表1．1和表1．2可以发现，近二十年海内外大跨度持续刚构桥成长迅速，前景广阔。
特别是今后随着三向预应力技术在箱梁的广泛应用，得到良好的效果，更加推动连续刚构桥事业的发展。
万方数据
第一章绪论表1．1国内已建预应力混凝土刚构桥
序号桥梁名称主跨或跨径组合（m）地址建成年份
1绥江云川金沙江大桥228云南2015
2屏山岷江大桥130．5+235+130．5四JII2014
3荆岳长江公路大桥滩桥100+5X154+100湖南2010
4重庆鱼洞长江大桥146+252+146重庆2007
100+2X138+2X
5重庆石板坡长江大桥重庆2006
138+330十124．5
6四川宜宾江安长江大桥145+2X260+145宜宾2005
7南京长江二桥90+165×3+90江苏2001
8六库怒江大桥85+154+85云南1995
9黄浦江奉浦大桥85+125×3+85上海1995
10常德沅水大桥84+120X3+84湖南1986
1l东明黄河公路大桥75+120×7+75山东1993
12风陵渡黄河大桥87×5+87+114X7+87山西1994
表1．2国外已建的预应力混凝土刚构桥
序号桥梁名称主跨或跨径组合（m）地址建成年份
1Sudoya桥120+298+120挪威2003
2James桥205美国2002
3Solma桥94+30l+72挪威1998
4RaftSundet桥86+202+298+125挪威1998
5Gateway桥145+260+145澳大利亚1985
6SaoJoaoPuente桥250葡萄牙1990
7Houston运河桥114+228．6+114美国1982
8Mooney桥130+220+130澳大利亚1985
9Orwell桥190英国1985
10Schottwien桥250奥地利1989
3
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图1-1虎门大桥辅航道桥
1．2．2连续刚构桥特点及发展趋势
墩梁浇筑在一块的连续刚构桥，没有必要在桥墩顶端设置支座，免去了支座的设计、安装和养护费用，同时比连续梁修建时墩梁需要暂时固结更方便快捷。
连续刚构桥常用一些柔性墩来适应上部结构变形产生的位移，主梁中支点处比较大的负弯矩也减弱了跨中的正弯矩，使得跨中截面尺寸变小，外形美观、流畅，且有比较大的纵向抗弯和横向抗扭刚度，能够使得工程结构的受力更加合理可靠，不断向大跨度桥梁工程结构发展。
另外双薄壁柔性墩能更好地适应温度产生的变
形、降低墩身工程造价以及增添施工过程不变性都有必然的优势凹1。
柔性墩可以分担水平地震力，使得连续刚构桥抗震性能优越，无需设置制动和限位装置来预防落梁。
在山区桥梁建设中，相同跨度的连续刚构桥要比斜拉桥和悬索桥造价要低。
虽然上面介绍了它的诸多优点，但是其上部构造持续长度有一定局限性，桥长再增长时需使用连续刚构和连续梁的组合结构，同时主墩的抗撞击能力也比较弱。
公路建设的快速发展对高速路上行车舒适度提出了更高的要求，连续刚构桥
今后会有如下几种趋势n0|：
①进一步增加连续刚构桥的跨度。
②轻型上部结构。
减少自重，同时也有利于跨度的增加。
③简化方便于施工的预应力布置。
我国现在有很多连续刚构桥在设计中已经不采用弯起束和连续束，通过在箱梁布置三向预应力钢筋来抵御主拉应力，最大限度地方便了施工，缩短了施工周期。
④取消边跨合拢段支架。
边跨现浇段使用满堂支架沉降而引起箱梁体开裂。
如果使用导梁合拢，能够避免这样的现象出现，也降低了造价。
⑤增加连续刚构桥的连续长度。
国外学者提出“少用或者取消伸缩缝是最好
4
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第一章绪论
伸缩缝”的理念。
因此国外桥梁上部结构连续长度不断增加，我国也向这一趋势发展。
在施工
技术和材料技术的进一步推动下，该桥的连续长度是有可能发展到
1200m-1500m㈨。
1．3国内外预应力箱梁裂缝的研究现状
预应力混凝土结构出现裂缝比较常见，国内外对预应力混凝土裂缝的发生机理及其发展特征等作了较多地研究，但是目前很多混凝土箱梁结构还是会出现很多裂缝，研究其成因分析仍旧是土木工程界重点关注的课题n2l。
国外在20世纪80年代就已经对预应力混凝土箱梁的裂缝产生机理及成因问题进行大致研究，美国的Podolnyn31在1985年对由设计和施工原因导致的箱梁裂缝成因进行了分析和概括总结，并提出了合理的修复措施，其主要观点有：
①该类桥梁出现裂缝的主要因素有以下几个方面：
1）箱梁结构抗弯和抗剪能力不足；
2）设计中对温度应力考虑不足；
3）未选择合理的施工方法；
4）施工工艺不完善，很难保证结构不出现裂缝；
5）所用材料强度不足等。
②箱梁裂缝的形成是几种原因组合的结果。
混凝土开裂成因很难归纳成为某一个因素直接导致的，某一个影响因素可能不会使箱梁出现裂缝，但是多个荷载因素相互组合叠加作用往往能够导致箱梁开裂。
③混凝土裂缝是不可以被完全避免的。
完全消除预应力混凝土箱梁结构裂缝是很难做到的。
虽然现在连续刚构基本都是三向预应力体系，但是箱梁有些局部区域由于施工中预应力损失等因素可能没有三个方向的预应力，再加上局部混凝土收缩以及温度荷载等，所以完全避免裂缝不大可能。
我们只需要在设计和施工当中重点把控对结构安全有直接危害的因素，比如本文所研究的箱梁腹板裂缝。
在21世纪初，韩国研究者MoonDoYoungn们等主要研究预制箱梁块段的施工工法，在底板纵向预应力张拉过程中底板崩裂的问题，在建立空间有限元模型的基础上，得出的结论说明了箱梁产生裂缝的原因是因为纵向预应力束的张拉引起底板主拉应力过大所致，并且通过对模型参数的具体分析发现底板厚度以及预应力钢筋的锚固位置对裂缝产生得作用同样也很大，浇筑次序对箱梁开裂影响较小。
2004年KakTienChongn勒对使用荷载下箱梁结构由于收缩、徐变逐渐产生裂缝的过程进行详细分析。
经过长期的研究和分析，Bazant提出一系列关于混凝土徐变
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重庆交通大学硕士学位论文
的模型，在对Koror-Babeldaob大桥的徐变分析结果表明，预测结果与实测结果吻
合较好。
国内学者对预应力混凝土箱梁腹板开裂的研究起步比国外晚，研究者多数只侧重于当中的某一具体方面，而没有进行综合的分析。
在上世纪80年代，浙江省交通
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