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某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害成因及其安全性分析

文檔作者：田青文檔來源：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月22日
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· 橋 梁·
某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害成因及其安全性分析
田 青
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁院，北京 100055)
摘要：針對某橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁出現(xiàn)的開裂情況，從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等環(huán)節(jié)進(jìn)行裂縫成因分析，并按照開
裂后的截面對結(jié)構(gòu)的安全可靠性進(jìn)行分析評價(jià)。分析表明，梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；運(yùn)營階段超載是導(dǎo)致開裂的主要
原因；開裂截面檢算表明梁體仍滿足規(guī)范規(guī)定的B類部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要求；限制超載，并對裂縫進(jìn)行封堵后，梁
體結(jié)構(gòu)可滿足正常運(yùn)營要求。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)梁；病害；分析
中圖分類號：U448．21 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—2954(2013)05—0076—03
Disease Causes and Safety Analysis for a Prestressed
Concrete Continuous BOX Girder
TIAN Qing
(Bridge Engineering Design and Research Institute，China Railway Engineering
Consuhing Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)
Abstract：As for a prestressed concrete continuous box girder，the causes of cracks were analyzed from
design，construction，operation and other aspects by the author．And then the safety and reliability of this
structure after cross-section cracking were analyzed and assessed． Analysis results show that，the design
of this girder structure is reasonable，while the overloading in the operation stage may be the leading
cause of the cracks． Further，the results from calculation on the cracked cross-section show that the
girder structure can still meet the requirements of the Class—B partially prestressed structure in current
standards；and the girder structure will meet the requirements of normal operation if the overloading is
restricted and the cracks are sealed．
Key words：prestressed concrete；continuous girder；disease；analysis
1 概述
本工程為一公路匝道橋梁，設(shè)計(jì)為單向2車道，設(shè)
計(jì)荷載為汽一超20，驗(yàn)算荷載為掛一120，梁跨布置為
(39+45+39)m 的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。開通運(yùn)營
5年后在日常檢查中發(fā)現(xiàn)箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫，經(jīng)
專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測，實(shí)測裂縫長度為1．1～2．5 m，縫寬為
0．08—0．10 mm，最大深度為31．5 mm¨ 。結(jié)構(gòu)體系
為按照《公路鋼筋?昆凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)
范》(JTJ023—85)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力混凝土(A類)單箱單
室等高度連續(xù)箱梁，梁頂寬9．5 m，梁底寬5 m，梁高
2．2 m，箱梁腹板厚50 cm，頂板厚25 cm，底板厚20
cm。梁體跨中截面見圖1。梁體混凝土強(qiáng)度等級采用
收稿日期：2012—10—15；修回日期：2012—12—14
作者簡介：田青(1966一)，女，高級工程師，1987年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)
院土木工程系，工學(xué)學(xué)士，E-mail：tq—tdb@tom．corn。
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C50，預(yù)應(yīng)力筋采用R =1 860 MPa高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力
鋼絞線，其布置方式為腹板縱向通長布置2×6根
12—7+5 mm 鋼絞線，跨中區(qū)段底板布置8根7—
7+5 mm鋼絞線。該梁按A類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在正
常的施工和運(yùn)營條件下，梁體混凝土?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力，但
不應(yīng)該開裂。本文擬針對實(shí)測中發(fā)現(xiàn)的裂縫，進(jìn)行裂
縫成因分析，并對開裂后的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行檢算。
8
0 )uU 0
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一
．g J 。
2 500 ；0d 1 7 j 1 750 o( i 2 5O0
圖1 跨中截面(單位：mm)
2 正常狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)計(jì)算
2．1 荷載及其組合 。·
(1)結(jié)構(gòu)自重取混凝土容重為26．0 kN／m ，二期
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(05)
田 青一某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害成因及其安全性分析
恒載為40．5 kN／m
(2)活載：汽一超20，掛一120
(3)基礎(chǔ)不均勻沉降1．5 cm
(4)混凝土收縮徐變：按《公路鋼筋混凝土與預(yù)
應(yīng)力々昆凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023-85)計(jì)算
(5)溫度差：① 頂?shù)装鍦夭?℃ ；② 頂板升溫5 cI二
(6)荷載組合
組合I 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降
組合II一1 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降+溫度①
組合Ⅱ一2 恒載+活載+基礎(chǔ)沉降+溫度②
組合Ⅲ 恒載+掛車
2．2 主要計(jì)算參數(shù)
(1)預(yù)應(yīng)力計(jì)算參數(shù)
錨下張拉控制應(yīng)力：1 357 MPa；
預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)：0．35；
管道偏差系數(shù)：0．003；
計(jì)算混凝土收縮徐變影響時的階段劃分見表1。
表1 計(jì)算階段劃分
(2)計(jì)算截面
計(jì)算內(nèi)力時按毛截面考慮取全截面；
計(jì)算應(yīng)力時，按凈截面(管道壓漿前)和換算截面
(管道壓漿后)，上緣計(jì)算寬度取8．5 m，下緣計(jì)算寬度
取全寬；換算截面時未考慮普通鋼筋。
2．3 運(yùn)營階段各跨計(jì)算應(yīng)力
(1)截面正應(yīng)力計(jì)算(表2)
表2 運(yùn)營階段梁體正應(yīng)力 MPa
根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)
規(guī)范》(JTJ023-85)，在使用荷載作用下，部分預(yù)應(yīng)力
混凝土A類受彎構(gòu)件法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：
組合I ?！?．8R =2．4 MPa ≤0．5R =
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(05)
· 橋 梁·
l 7．5 MPa
組合Ⅱ、組合Ⅲ hl≤0．9R =2．7 MPa Orh ≤
0．6R =21．0 MPa
由表2可以看出，梁體正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均能滿足
《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力 昆凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》
(JTJ023—85)要求。
(2)運(yùn)營階段主梁最大主應(yīng)力
運(yùn)營階段，主梁的最大主壓應(yīng)力為8．73 MPa，工
況類型為恒載+汽車(最小剪力)，位于邊支座位置處，
最大主拉應(yīng)力為一0．951 MPa，工況類型為恒載+掛車
(最小剪力)，位于主跨跨中處。
根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)
規(guī)范》(JTJ023-85)，在使用荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝
土受彎構(gòu)件主應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：
組合I l≤0．8R =2．4 MPa ： ≤0．6R =
21．0 MPa
組合Ⅱ、組合111 l≤0．9R =2．7 MPa ： ≤
0．65R =22．75 MPa
計(jì)算結(jié)果表明運(yùn)營階段主拉應(yīng)力滿足《公路鋼筋
混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJO23—85)
要求。
以上計(jì)算結(jié)果表明梁體在正常的使用狀態(tài)最不利
荷載工況下梁體下緣最大拉應(yīng)力為1．0 MPa，小于規(guī)
范規(guī)定的0．8R ，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，不應(yīng)出現(xiàn)多處位
置開裂。
3 裂縫成因分析
根據(jù)梁體受力特點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的原因有以下
幾個方面 ?！?。
梁體自身因素：預(yù)應(yīng)力儲備不足，其原因可能是，
施工時預(yù)應(yīng)力張拉不到位，摩阻損失或混凝土收縮徐
變損失大于設(shè)計(jì)值。
外部因素：結(jié)構(gòu)使用階段實(shí)際應(yīng)力超出設(shè)計(jì)計(jì)算
的最大應(yīng)力，達(dá)到和超過混凝土抗拉強(qiáng)度。主要因素
有：摩阻損失、超載、溫度變化、基礎(chǔ)沉降等。
針對上述可能的幾種因素，計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 主要印象因素下的下緣應(yīng)力增量計(jì)算MPa
與設(shè)計(jì)的正常受力狀態(tài)下的應(yīng)力疊加后，跨中截
面下緣混凝土拉應(yīng)力為3．2 MPa，大于R =3．0 MPa。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，導(dǎo)致梁體混凝土開裂的原因
可能是摩阻損失、超載及上下緣溫差等因素中一個或
77
·
橋 梁· 田 青一某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害成因及其安全性分析
幾個的組合，其中超載運(yùn)營可能是主要因素。不考慮
超載因素時，梁體下緣最大拉應(yīng)力為1．9 MPa，小
于0．8R 。
4 開裂截面的應(yīng)力分析
根據(jù)對本橋梁體設(shè)計(jì)資料的分析，梁體縱向普通
鋼筋配置可滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼筋配置要求。
因此，對于開裂截面，如果在不計(jì)受拉區(qū)混凝土作用的
情況下，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力滿足規(guī)范要
求，即可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足B類部分預(yù)應(yīng)力的要求。下
面按照開裂截面對跨中截面進(jìn)行應(yīng)力分析 。
跨中截面預(yù)應(yīng)力筋布置：2×6束12—7+5 mm，8束
5-74)5 mm，A =0．025 76 m
預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力取平均值
預(yù)應(yīng)力筋與混凝土彈模比?。?t =5．714
開裂前的截面特性：
換算截面面積A。=A +(n 一1)·A
換算截面慣性矩，n
換算截面回轉(zhuǎn)半徑r
換算截面重心距梁底e
預(yù)應(yīng)力筋重心距截面重心e
預(yù)應(yīng)力筋重心距截面上緣h
預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)壓力N =4 ·
截面消壓時預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量or 。=nyN (1+
e2 ／r )／A0
消壓時截面預(yù)壓力N 。=A ·( + )
正常使用荷載作用下截面偏壓力作用點(diǎn)距截面上
緣距離e =M／N 一h
為便于分析，將截面簡化等效為耵形截面(圖2)。
圖2 簡化后的等效截面(單位：mm)
根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)
規(guī)范》(JTJ023-85)附錄10，可試算得到開裂截面受
壓區(qū)高度X=0．777 I13，由此可得不計(jì)受拉區(qū)混凝土?xí)r
的截面特性(圖3)。
圖3 開裂截面計(jì)算圖式(單位：mm)
A0l=3．024 m ，Iol=0．573 m ，C ：0．297 7 m ，。0=
0．395 m
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開裂后正常運(yùn)營荷載作用下截面上緣混凝土應(yīng)力
or h =N l／Ao1+Ⅳ l·e0 ·C／Iol
14．02 MPa<0．5R =17．5 MPa
開裂后的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量
2=n (N 1 ·e0· (h 一C)／，0l～Ⅳ l／A01)：
132．54 MP
開裂后預(yù)應(yīng)力筋總應(yīng)力
：= +or 1+or 2=1 147．97 MPa<0．65R?=
1 209 MPa
上述計(jì)算中忽略了普通鋼筋的作用，實(shí)際梁體預(yù)
應(yīng)力筋總應(yīng)力應(yīng)略小于上述計(jì)算值。計(jì)算表明在正常
運(yùn)營條件下，即使梁體開裂，混凝土和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力均
滿足規(guī)范關(guān)于B類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要求。
如果按照超載50％計(jì)算，開裂截面混凝土應(yīng)力和
預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力分別為
h =15．84 MPa<0．5Ra
江1273．17 MPa>0．65R?
即超載作用下，梁體預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力超過容許值。
超載50％ 導(dǎo)致開裂截面上緣}昆凝土應(yīng)力增量為
1．82 MPa，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量為125．2 MPa。
5 結(jié)論
以上分析計(jì)算表明，正常運(yùn)營條件下梁體應(yīng)力小于
規(guī)范容許值；運(yùn)營階段多種不利因素疊加會使梁體混凝
土應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，超載運(yùn)輸可能是導(dǎo)致梁體開裂
的主要原因；梁體開裂后，受拉區(qū)配置適量普通鋼筋的
條件下，梁體?昆凝土和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力可滿足正常運(yùn)營條
件下B類預(yù)應(yīng)力混凝土的要求。截面開裂后，由于受拉
區(qū)混凝土不再發(fā)揮作用，超載荷載拉應(yīng)力將由預(yù)應(yīng)力筋
承擔(dān)。超載導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量比較明顯，當(dāng)超載
較大時，開裂截面預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力超過規(guī)范容許值，表明
在長期超載作用下，梁體會因預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞而破壞，
即超載運(yùn)輸將減少橋梁使用壽命。因此，在加強(qiáng)管理和
維護(hù)，嚴(yán)格限制超載運(yùn)營的情況下，對既有裂縫妥善封
堵后，結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性是有保證的。
參考文獻(xiàn)：
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鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(05)
中美公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對比研究
魯玉忠，于劍麗，宋銀平
(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州450003)
· 橋 梁·
摘 要：在承擔(dān)南美洲一些國家橋梁工程設(shè)計(jì)中，一般都使用美國規(guī)范。因此，首先要對當(dāng)事國使用的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)
行深入研究和分析，找出設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)取值、設(shè)計(jì)荷載及荷載組合等方面的不同；在相同跨徑、截面及受力條
件下，比較美國規(guī)范與我國規(guī)范鋼筋混凝土梁的配筋計(jì)算結(jié)果，以此熟悉國外工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，了解與我國設(shè)計(jì)規(guī)范
的不同點(diǎn)．提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，為其他國外工程設(shè)計(jì)提供參考，同時也為我國規(guī)范的改進(jìn)和修訂提供參考。
關(guān)鍵詞：中關(guān)公路；混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范；極限狀態(tài)受力；荷載抗力設(shè)計(jì)
中圖分類號：U442．5 l 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—2954(2013)05—0079—04
Comparative Study on
Standards between
Highway B ridge Design
China and Am erica
LU Yu—zhong，YU Jian—li，SONG Yin—ping
(Yellow River Engineering Consulting Co．，Ltd．，Zhengzhou 450003，China)
Abstract：American standards are usually asked to be adopted in the bridge design in some South
American countries．Firstly，in order to find out the differences existed in design method， parameter，
load，load combination and other factors，the statutory design standards in the country—concerned should
be studied and analyzed deeply．And then，the reinforcement result of reinforced concrete girder should
be compared between using American standard and using Chinese standard under the same span，same
cross-section and the same load．Based on these，the design features of foreign project can be known a
great deal，the difference of design standards between China and foreign country can be acquainted，
therefore the design quality can be promoted．Moreover，the comparative study can be referenced not only
by the designers of other foreign projects，but also by those writers of Chinese standards when necessary
to be revised．
Key words： Chinese and American highways； design standard of concrete bridge； ultimate bearing
capacity；resistance design against load
目前中國建筑行業(yè)進(jìn)入國際市場的份額日漸增
多，近幾年國內(nèi)公司在南美國家相繼承攬了一些大型
水利水電、公路橋梁工程項(xiàng)目，在合同中都明確寫明采
用美國規(guī)范，我公司在承接厄瓜多爾CCS項(xiàng)目工程設(shè)
收稿日期：2012—10—11；修回日期：2012—12一Ol
作者簡介：魯玉忠(1981一)，男，工程師，E—mail：luyuzhongl121@
126．COB。
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鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(D5)
計(jì)中也是如此。筆者參加了厄瓜多爾CCS項(xiàng)目中的
公路橋梁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中對中美兩國橋梁規(guī)范進(jìn)
行了一些研究工作，對中國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》
(JTG D60-2004)¨ 、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝
土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004) (以下簡稱中國
橋梁規(guī)范)和美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 (以下簡稱美
國橋梁規(guī)范)進(jìn)行對比，找出兩國規(guī)范的差異。中美
橋梁規(guī)范主要區(qū)別是：(1)設(shè)計(jì)方法不同；(2)汽車荷
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