先简支后连续预应力建筑混凝土T梁裂缝分析与防治

[摘要] 第一章绪论1 1 研究背景及问题的提出1 1 1 研究背景公路

第一章绪论

1.1 研究背景及问题的提出

1.1.1 研究背景

公路交通运输无疑是掌握一个国家一个地区物流网的主要命脉，虽然起步于80 年代后期，我国的高速公路建设自新世纪才开始较大规模的建设。随着高速公路不断发展，中等跨径的桥梁普遍开始选择预应力混凝土连续梁的设计方案，因为符合大众对快速通车的要求，其常常作为优胜方案而被采用。高等级公路普遍行车速度较高，这就要求服役桥梁具有良好的平整度系数，也就是需要具有良好的连续性能和较少的伸缩缝设置等，从而为用户提供舒适、高速、平稳的行车环境。目前来看，高速公路上较小跨径桥梁常采用预制装配式施工而成的预应力混凝土“T”梁的形式；对于中等跨径的桥梁多采用组合“T”型梁，也是预制装配式施工而成，其上部结构为简支状态的预应力混凝土板，通过桥面完成连续构造的组合型式。然而仅仅桥面连续的简支梁桥，由于波浪式行车表面、桥面开裂等不可避免的缺点，并不能适应高速公路对行车的要求[1]。高等级桥梁建设中预应力混凝土连续梁桥备受青睐，因为其伸缩缝少、变形小、施工简便、刚度大、行车平稳舒适、抗震能力强、养护简单等诸多优点，常常成为首选的方案。对于较大跨径连续梁桥，多被采用的施工方法是拼装法和悬臂浇筑法[2]。由于施工较复杂，又费工费时，桥梁建设者们一直希望将简支梁的批批量预制生产优越性能应用于连续梁桥施工过程中，利用批量预制生产再拼装的方式来充分缩短连续梁桥的建设周期，同时又能省去十分繁琐的立模工序。这种方法具体为整跨梁先预制成型再架设于桥墩上后，然而在墩顶位置处如何实现结构连续问题便应运而生，现在普遍做法是现浇湿接头、待混凝土强度达到设计要求后张拉负弯矩区预应力束实现结构连续，也就是先简支后连续施工方法。这种先形成简支体系，后通过结构体系转换形成连续结构体系称为“先简支后连续结构体系”。先简支后连续“T”梁桥在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载作用，使内力状态比较均匀合理，因而梁高可以减小，节省材料，且刚度大，整体性能好，承载能力大，安全性好，桥面伸缩缝少便于高速行车。

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1.2 国内外研究现状

在多片装配式肋梁桥中，装配式 T 梁的装配顺序决定了它将是分阶段受力的。在第一阶段，横隔梁的重量与梁肋自重作用，均由 T 梁承担；第二阶段，桥面铺装，车辆荷载与人群荷载同时作用，则由装配式梁全截面承受。在主梁细部尺寸的拟定过程中，往往是在满足主拉应力强度和抗剪强度需要的前提下，把主梁梁肋的厚度一般都做的较薄，以减轻构件的重量。此外，在普通设计过程中，往往还考虑梁肋的屈曲稳定性和施工的可行性两方面。目前普遍使用的梁肋厚度为150~180mm，钢筋骨架的片数和主钢筋的直径控制厚度取值的上、下限，而这又通常由构造决定。国外对肋板的厚度一般取值在 200~380mm 左右，我国目前采用得值偏低，一般采用 160mm，标准设计中为 140~160mm。T 梁是一种经济、高效的梁截面形式，在实际工程中得到广泛的应用。但在建造和运营过程中产生了大量病害与缺陷，导致结构的使用性能，耐久性能等大幅下降。导致需要对部分 T 梁通过对梁体进行修补，有时也可能造成整座桥梁的垮塌[4][5]。但梁体病害（现以裂缝为主）产生的原因有多种，对已经产生的病害的控的控制、维修、加固，对正在建造的桥梁的施工、养护都需要从结构产生病害的源头上进行分析，从而得到相应的控制措施及准则。在云南某高速公路的桥梁工程中，主要病害为 T 梁腹板的竖向裂缝。对于该类裂缝产生的原因，国内外学者做了一些研究，主要从施工阶段和运营阶段进行了探讨与研究。

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第二章先简支后连续 T 梁桥裂缝状况统计分析

2.1 高速公路桥梁裂缝状况及统计

近年来，云南省公路桥梁较多采用了装配式先简支后连续预应力混凝土 T 梁的上部结构形式。省内某高速公路段桥梁主要裂缝可分为 7 类，包括左右对称的竖向（斜向）裂缝，单侧竖向裂缝，贯通竖向裂缝， T 梁梁底纵向裂缝、马蹄两侧纵向裂缝与网状裂缝，斜向裂缝， T 梁翼板横向裂缝，盖梁竖向裂缝等。在通车前的交工检测及运营两年后的竣工检测中，发现此种桥型部分 T 梁出现了腹板两侧对应的竖向( 部分斜向) 裂缝，裂缝大多分布在 T 梁 L/3 ～2L/3 区段，少数分布在 T 梁端头～L/4 区段，裂缝少则 1～2 条，多则 10 多条，缝宽大多介于 0.08 ～0.2mm 之间。裂缝主要形态主要为腹板开裂，但梁底未出现横向开裂，大部分腹板裂缝表面（缝口）出现掉皮现象，重车通过时缝口会有动态开合过程，可以目测。在竣工检测的桥梁中，工程质量存在的主要问题为 T 梁竖向（斜向）裂缝问题，全线有 27 个合同段共计 46 座桥梁 158 片 T 梁存在梁体竖向（斜向）裂缝。在统计范围内的 70 座桥梁其中 13 片 T 梁交工检测时梁体有竖向（斜向）裂缝，已进行换梁处理，竣工质量检测于梁体左右侧新发现竖向（斜向）裂缝；其中 1片 T 梁交工检测时梁体有竖向（斜向）裂缝，部分已进行封缝处理，竣工质量检测发现在原斜向裂缝修补砂浆表面有反射裂缝；其中 56 有片 T 梁交工检测时未见异常，本次竣工质量检测于梁体左右侧新发现竖向（斜向）裂缝。

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2.2 先简支后连续 T 梁桥裂缝成因分析

裂缝是混凝土结构最常见的病害之一。由于混凝土是多种材料混合而成的材料，本身存在材质的不均匀性，其次混凝土为脆性材料，在使用过程中本身处于带裂缝工作状态。一般混凝土开裂往往是多种因素共同作用的结果，但所有的裂缝都不应该超过结构设计规定的范围，裂缝应该在有效控制范围内。如果裂缝的出现和发展超出了设计所预期的范围，而且裂缝未得到有效的限制和控制，对结构的使用性能产生的一定的影响，就成为需要关注的裂缝病害[24]。裂缝是混凝土结构典型病害之一，往往对结构的耐久性、美观性、承载能力均有不同程度的影响。裂缝出现的时间，裂缝开展的位置，开裂的长度、宽度、深度，裂缝发展的趋势对结构的危害程度也不同。例如，结构跨中出现较严重的贯通裂缝，梁底撕裂裂缝，梁端出现较长的剪切斜裂缝，将会威胁到桥梁结构的安全；一般的裂缝则会对结构的刚度也产生一定的影响，导致结构耐久性不足，使得梁体挠度增大，承载能力减弱。对此，控制和预防裂缝的产生和发展是混凝土结构研究的重要内容。裂缝可以分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝是指在未加荷载之前或承受低于开裂荷载情况下混凝土就已经存在于混凝土内部的裂缝。该类裂缝大多是由于混凝土碳化、碱骨料反应等病害或者水泥水化、局部沉陷、温度变化差、干燥等因素在混凝土局部引起的收缩或膨胀变形，从而产生的极其微小而肉眼不可见裂缝。微观裂缝的主要种类可以划分为四种：（1）粘结裂缝，发生于粗骨料表面与水泥砂浆之间。（2）砂浆裂缝，水泥砂浆内部的裂缝。（3）骨料裂缝，骨料颗粒本身的裂缝。（4）连续裂缝，两条粘结裂缝或骨料裂缝之间由连续裂缝相连接。微观裂缝是影响混凝土徐变、滞变曲线、塑性变形非线形应力一应变曲线的主要因素。微观裂缝的最主要特点是裂缝细而短。往往存在于砂浆中以及骨料与砂浆的界面上。由于内应力或应力流的转向作用，其一般产生于混凝土施工过程中凝结硬化阶段，混凝土的构造理论可以解释这一现象。微观裂缝属于混凝土材料本身固有的不可避免的物理性质，它对徐变、强度、弹塑性、泊松比、变形、化学反应、刚度等均有较大的影响。当有荷载作用于桥上时，该类裂缝数量会迅速的增多，裂缝长度深度也会相应扩展，相互之间可能会彼此串联起来，发展成为宏观裂缝，最终导致结构完全性破坏。

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第三章先简支后连续 T 梁预制阶段力学特性分析.......17

3.1 浇筑过程中温度对结构的影响 ..... 17

3.1.1 混凝土水化热对结构的影响 ............... 17

3.1.2 环境降温对结构的影响 ........... 18

3.2 基座约束对结构的影响 ..... 19

3.2.1 有限元模型的建立 ....... 19

3.2.2 整体升、降温对结构的影响 ............... 19

3.3 T 混凝土早期收缩徐变对结构的影响 ....... 20

3.4 加载龄期对结构受力性能影响 ..... 26

3.5 本章小结 ..... 28

第四章先简支后连续 T 梁桥施工阶段分析 ......31

4.1 先简支后连续梁桥施工技术 ......... 31

4.2 体系转换过程中关键工序受力性能 ......... 32

4.3 桥梁不同整体化方式影响 ............. 36

4.4 本章小结 ..... 41

第五章先简支后连续 T 梁成桥运营阶段力学特性分析 ...........43

5.1 预应力损失对连续梁受力性能的影响 ..... 435

5.2 横向联系对连续梁受力性能的影响 ......... 53

5.3 本章小结 ..... 57

第五章先简支后连续 T 梁成桥运营阶段力学特性分析

先简支后连续 T 型梁桥受力明确，施工简便，施工时先预制 T 梁并张拉正弯矩预应力钢束，吊装安放后形成简支结构体系，然后浇筑后连续段混凝土，等到连续段混凝土达到规定的强度时，张拉墩顶连续段负弯矩预应力钢束，最后拆除临时支座，结构从简支梁体系变成了连续梁体系。然而运营一段时间后，由于种种原因部分 T 梁跨中底部、两侧腹板、横隔板等出现(部分斜向)裂缝(一些为表征结构承载能力不足的结构性裂缝，一些为非结构性裂缝)，使得桥梁的实际状态不满足设计要求，这一问题在国内已建成的同类型桥梁上大量存在。

5.1 预应力损失对连续梁受力性能的影响

目前，从全国建成的预应力混凝土先简支后连续 T 梁桥情况看，桥梁在施工和运营阶段因各种各样的原因导致预应力损失比较大甚至完全失效，从而达不到桥梁设计要求的预应力度。这些因素主要包括：（1）预应力管道压浆不密实，甚至出现未压浆情形；（2）桥面铺装层损坏严重，导致 T 梁预应力管道内存在积水现象，从而加块了预应力钢束锈蚀，造成预应力钢束面积减小，预应力有比较大损失，严重的还会出现预应力钢束锈断现象，参照以往的经验，保守的估算纵向预应力损失量不低于 10%；（3）由于负弯矩预应力钢束较短，张拉延伸量小，负弯矩预应力损失较大。随着桥梁建设技术的日益成熟，连续梁由于其桥梁整体受力合理，抗震性能优越，桥梁伸缩缝少，主梁变形线型平缓，行车舒适等优点备受设计人员青睐。而对现有的预应力混凝土先简支后连续 T 梁桥进行检测，发现现有已建成的先简支后连续梁桥开裂现象严重。研究其造成纵向预应力损失的原因，显然是由于理论计算的时候对波纹管逐节段拼接定位、局部漏浆及平直度误差等因素所引起的摩阻增大值估计不足所致。因此有关预应力管道摩组损失的研究越来越受人们所重视。