某大桥连续箱梁墩帽裂缝成因分析及加固处理

2012-11-24肖国梁

浙江交通职业技术学院学报 2012年1期

关键词：凹槽张拉支座

蒋莽,肖国梁

(杭州市交通工程质量安全监督局,杭州 310014)

0 引言

近年来,许多高墩大跨径结构的桥梁工程由于各种原因致使桥梁出现质量事故,其中大多数是由于混凝土及预应力筋张拉施工欠规范造成桥梁质量事故,本文结合工程实例,从工程各方面分析了裂缝产生的原因,并提出针对性的加固措施。

1 工程概况

某大桥,桥长216.87 m,上部为55+100+55 m三跨连续梁桥。断面为单箱双室,宽20.5m。下部中墩为部分空心的实体式桥墩,顶面设实体墩帽,墩帽长13.2 m,对应于箱梁的边腹板及中腹板设3个支座,支座垫石处墩帽总厚2 m,支座之间墩帽厚1.5 m,横向挑出墩身1 m设牛腿,墩帽采用C30级砼,箱梁采用C50级砼。由于连续箱梁支座位置偏位、墩帽配筋不足等原因,在0#块施工后,发现墩帽两侧混凝土开裂,初期宽度为0.08～0.15mm。随着悬浇节段1#块施工后,上部荷载的增加,裂缝宽度增加到0.35 mm,最宽时达0.65 mm。采用在墩帽内钻孔,设置预应力筋加固,取得了良好的加固效果。

2 裂缝产生及发展过程

2007年6月12日,该桥0#块张拉预应力筋后,发现2#墩墩帽顶面支座之间凹槽的转角处,距中心轴线约1.9 m各有一条顺桥向裂缝,裂缝宽度大约为0.08～0.15 mm,裂缝具体位置 (见图1)。

在裂缝位置安装应变片,进行应变检测。1#块混凝土浇注后,裂缝一直在发展,最宽处达到0.35 mm。至2007年8月21日,裂缝宽已达0.65 mm。

3 裂缝产生原因分析

3.1 设计方面

3.1.1 支座位置不当

因为设计的边支座中心在桥墩实体边界内仅345 mm(见图2),部分支座在桥墩实体边界外。引起偏压作用,使墩帽上端偏压引起墩帽顶面受拉。

图1 2号墩裂缝发生位置

图2 边支座立面图

3.1.2 墩帽断面突变

由于墩帽断面高度不一致,在支座处墩帽总厚达2.0 m,而在支座之间的墩帽厚为1.5 m(见图3),引起墩帽的刚度不一,当墩帽顶面受拉时,引起墩帽断面突变的转角处应力集中,并导致混凝土拉应力增大。本桥墩帽的所有裂缝均出现在断面突变的转角处,裂缝方向与主拉应力方向垂直 (见图2)。

3.1.3 墩帽顶面配筋不合理

(1)受弯产生的最大应力在支座之间墩帽凹槽顶面转角处,但设计在凹槽处未配置通长钢筋 (图3),只是在支座下设置钢筋,承担支座下的局部压应力,无法平衡拉应力,是造成混凝土开裂的主要原因。

(2)构造钢筋偏少,引起或加剧混凝土开裂。

(3)转角处未设置局部构造钢筋导致应力集中引起混凝土开裂。

3.2 施工原因

3.2.1 施工流程安排不当

施工0#和1#块后,墩帽的荷载达21 204 kN(纵向长度为20m,混凝土方量为661.64 m3,重量为1720.3 t,另外还有挂篮、模架等施工荷载),此时仅对墩顶横梁下部横向预应力筋张拉,而未张拉横梁上部横向预应力筋,引起横梁下部受压,上部受拉,经计算,此时中支座基本不受力 (见表1),荷载集中加载在边支座上,整个横梁有起拱趋势(见图4),使墩帽顶面拉应力增加。采用MIDAS结构分析软件建模,在仅张拉下部横梁H2钢束时,桥纵向最大拉应力为1.60 MPa,位于墩帽挑臂端部下缘,横桥向最大拉应力为4.01 MPa,位于墩帽凹槽处上缘,均超过混凝土设计挤撞强度,混凝土表面会产生裂缝,尤其是横向拉应力产生的坚向裂缝。

图3 墩帽立面及配筋图

图4 施工不合理引起墩帽起拱示意图

3.2.2 临时固定支座由硫磺砂浆支座改为砂箱

临时支座采用砂箱,将设计的硫磺砂浆支座的面荷载变成点荷载,墩帽挑臂段受力集中且更偏外,引起墩帽顶部产生更大的拉应力。

综上所述,产生裂缝的主要原因是支座中心偏外,导致墩帽上部受拉,而墩帽没有设置预应力筋,且墩帽顶面配筋偏少,不能承受荷载引起的拉应力,导致墩帽断面薄弱处开裂,而临时固结支座改变受荷方式,也是导致裂缝的发生的因素。

4 加固处理

4.1 加固理由

当上部荷载总重为21 204 kN时,裂缝宽已达0.65 mm,并有发展趋势,而达到箱梁最大悬臂时,上部荷载将达到54 099 kN;成桥后的运营阶段上部总荷载达到74 224 kN.荷载的不断增大,在桥墩墩帽内部将产生更大的内力。因此必须对墩帽进行加固处理。各施工控制阶段及运营阶段的支点反力见表1。

4.2 加固方法

4.2.1 预应力束布置及应力验算

共布置6根弯起束,其中4根15ΦS15.2位于墩帽断面中央,2根12ΦS15.2位于墩帽断面两侧,弯起束弯曲半径为4 000 mm,另外设置 6根7ΦS15.2直束位于弯起束上面,弯起束与直束在凹槽处汇于一根管道内 (见图5)。

预应力加载采用等代荷载加入,墩帽横向按照预应力混凝土A类构件进行验算,纵向按照钢筋混凝土构件进行验算。按照规范要求验算承载能力极限状态下的强度以及正常使用极限状态下的混凝土裂缝,以使其满足结构安全性和耐久性。

表1 各施工控制阶段及运营阶段的支点反力

图5 预应力束布置图

(a)正应力验算

在成桥运营阶段,短期效应组合时横向最大应力为1.0 MPa,小于混凝土抗拉强度设计值1.39 MPa,满足规范部分预应力混凝土A类构件的要求。纵向最大拉应力为1.8 MPa,小于混凝土抗拉强度设计值1.83 MPa(此处混凝土为C50),满足规范要求。

(b)横桥向主应力验算

成桥运营阶段端部横向最大主拉应力为0.82 MPa,小于部分预应力混凝土现浇构件短期效应组合下主拉应力容许值1.005MPa,满足规范要求。

(c)墩帽挑臂根部处斜截面抗剪强度验算

在边支座反力的作用下,墩帽挑臂根部产生的剪力为7 509 kN,小于截面的抗力10 983 kN,,设计值小于抗力值,富余系数为1.46,满足规范要求。

(d)锚下局部承压验算

承压混凝土按C40计,15ΦS15.2、12ΦS15.2锚垫板按300×300计,7ΦS15.2锚垫板按 210×210计。由于 12ΦS15.2锚下应力小于 15ΦS15.2,只要验算15ΦS15.2锚下应力能满足规范,12ΦS15.2锚下应力也一定能满足规范。

15ΦS15.2锚下局部承压强度设计值为 3 515 kN,其对应的锚下局部承压截面抗力值为3 810 kN,承压强度抗力值为4 644 kN,设计值小于抗力值,富余系数分别为1.08、1.32,满足规范要求。

7ΦS15.2锚下局部承压强度设计值为;1 641 kN,其对应的锚下局部压截,面尺寸抗力值为2 449 kN,承压强度抗力值为2 961 kN,设计值小于抗力值,富余系数分别为1.49、1.80,满足规范要求。

4.2.2 加固构造

(a)端部处理

端部处凿除表面150 mm的混凝土,露出梁内钢筋进行焊接补强,预应力锚下加设钢筋网片及钢板。

(b)凹槽处理

凹槽处凿除表面100 mm混凝土,露出原墩帽钢筋后补强。

(c)钢筋的连接

对挑臂端部钢筋进行补强,并进行焊接。此外,还需在梁底放置纵向受力钢筋,设置上下两层Φ 32钢筋,横向间距为@100 mm,竖向净距为50 mm。

(d)锚下处理

在锚下设置承压钢板及分布钢筋,减小预应力筋锚下局部应力。

(e)预应力孔构造

张拉孔孔道直径100 mm,采用体内预应力筋的外包钢管,在预应力张拉端外径采用ф 95 mm,壁厚为4 mm,在扩孔段外径采用ф 95～102 mm,壁厚为4 mm。

(f)浇注混凝土

张拉预应力筋前,浇注凹槽及挑臂处锚下混凝土,张拉预应力筋后,浇注封锚混凝土。混凝土采用C60微膨胀混凝土。

4.2.3 对现有裂缝进行处理。

4.3 全部张拉横向预应力钢束

由于仅张拉横梁下部钢束,中支点脱空,如横向预应力筋全部张拉,可大大改善结构的边支点的受力状态,从而改善墩帽的受力状况。不同施工工况下的支点反力见表2。从表中可以看出,全部张拉横梁预应力钢束后,即使施工到5#节段,边支点的反力 (10 068 kN)仍小于仅张拉横梁下部H2预应力筋时的应力 (10 602 kN),所以立即张拉全部钢束,对改善结构受力是十分有效的,也是必须的。