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预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理

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第12卷第2期 铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering Volume 12 Number 2 2015年4月 April 2015 预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理 李昀 (1.中南大学土木工程学院,湖南长沙410075; 2.中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室,湖南长沙410075) 摘要:石长铁路沅水特大桥随使用年限的增长,多孔32 ITI预应力钢筋混凝土T梁出现不同型态的裂缝。通过施工温度、 混凝土强度、力学等方面对裂缝进行成因分析,研究结果表明:沿预应力管道方向纵向裂缝的主要原因是管道的曲率半径 减小14%或预应力超张拉超过14%,使预应力管道处混凝土所受的拉应力超过混凝土的标准抗拉强度,导致产生纵向裂 缝;梁端竖斜向裂缝是因上、下侧预应力钢柬预张力不同,引起支座上端T梁上翼缘底部处弯矩的不平衡,其差值超过混凝 土的极限轴心拉应力,导致裂缝产生,为以后的桥梁加固提供重要的技术支持。 关键词:T梁;裂缝;力学分析;预应力混凝土 中图分类号:U441. 2 文献标志码:A 文章编号:1672—7029(2015)02—0330—05 Cause analysis and treatment of cracks in prestressed concrete T beams (1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China; 2.National Engineering Lahoratory for High Speed Railway Construction,Central South University,Changsha 410075,China) Abstract:With the increase of selwiee life,Yuanshui bridge in Shiehang railroad appeared different types of cracks in 32 m prestressed concrete T beams.The crack causes were analyzed from several aspects,such as the construction temperature,the strength of concrete,the meehanieal performance.It is found that the main cause of longitudinal cracks along the direction of the prestressed pipe is that when the radius of curvature of pipeline reduced by 14%or the stress prestressed more than 14%,the concrete tensile stress in prestressed pipe exceeds standard tensile strength of the concrete,thereby resulting in the longitudinal cracks;The vertical diagonal cracks in the beam terminal are induced by different pretension OH the upper and lower sides.The imbalance of bending moment at the upper bearing top flange bottom of T beam is therefore caused.When the difference ex- eeeds the concrete axial tensile stress,it results in the occurrence of cracks.The findings in this paper provide important technical support for future bridge strengthening. Key words:T beams;cracks;mechanical analysis;prestressed concrete 预应力混凝土T梁桥是我国应用数量最广泛 板存在纵向裂缝、斜向裂缝及直向裂缝等病害。针 对该种病害,已有许多文献进行了病害成因的分 析 。。 ,提出了种种设想,并初步探讨了几种可能 的一种桥型,在我国铁路大建设中起到了极其重要 的作用,普及面大、地域广阔、数量庞大。随着国民 经济和交通运输的迅速发展,我国铁路上有数量众 多的预应力混凝土T梁桥。虽然该种T梁具有优 因素,但多是从施工因素着手,局限于定性上的分 析,未有量化的论证数据。本文结合石长铁路沅水 良的使用性能以及耐久性,但近年来却不断发现腹 特大桥为实例,对引桥T梁腹板出现的纵向裂缝、 收稿日期:2014—09—29 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378511) 通讯作者:李昀(1975一),男,湖南邵阳人,高级实验师,博士,从事工程结构安全技术研究;E—mail:44264171@qq.corn 第2期 李昀:预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理 33l 斜向裂缝、直向裂缝及应对措施进行探讨。 1 工程概况 石长铁路沅水特大桥中心里程为石长铁路 K92+566,位于石长线常德东站与德山站之间,主 跨为2—62 m+5~96 m预应力混凝土箱梁,引桥 为32 m预应力钢筋混凝土T梁,共计93孔(北引 桥64孔,南引桥29孔),桥梁设计荷载为“中一活 载”。引桥桥墩为矩形截面混凝土板式墩,桩基础。 桥长3 682.93 m,桥上线路为曲线。桥梁于1994 年开工,1996年竣工。 运营十来年中,多孔32 m预应力钢筋混凝土 T梁混凝土表面出现龟裂状裂缝及直线裂缝,沿预 应力管道方向出现纵向裂缝,梁端出现斜竖向裂 缝。笔者从结构设计、施工方面分析探讨裂缝产生 的原因,并提出修补方案。 2裂缝类型及分布情况 经现场查勘,发现石长铁路沅水特大桥主要裂 缝类型有以下三大类:1)混凝土表面成龟裂状裂 缝及直线裂缝;2)沿预应力管道方向的裂缝;3)梁 端斜竖向裂缝。 取现场中裂缝比较典型的1片梁进行测量,T 梁裂缝的分布见图1,裂缝宽度见表1~2。 l长沙端外侧 -__ :----__- 一 f 石门端i 图1 T梁裂缝示意图 Fig.1 Cracks in T beam 表1 T梁长沙端外侧 Table 1 T beam end outside Changsha 表2 T梁石门端外侧 Table 2 T beam end outside Shimeng 3裂缝成因分析 混凝土构件产生裂缝的原因很多,涉及构造设 计、原材料质量、混凝土自身固有特性、施工和使用 环境及管理等各个方面,裂缝的产生往往是以上原 因的综合。笔者对石长铁路沅水特大桥的T梁腹 板出现的裂缝现象,进行了分析和会诊。影响因素 及原因概括如下。 3.1 混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝 混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。特 点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交 错,成龟裂状,形状没有任何规律。 有些有规则的直线裂缝属于温度裂缝,例如该 桥上翼缘板上的斜裂缝。混凝士受水泥水化放热、 阳光照射、夜间降温等因素影响而出现冷热变化 时,将发生收缩和膨胀,产生温度应力,温度应力超 过混凝土抗拉强度时,即产生裂缝。可以初步推断 是由于水化热过大引起的温度裂缝。由于水化热 作用,使混凝土内部与外表面温差过大,这时内部 混凝土受压应力,表面混凝土受拉应力。由于混凝 土抗压强度远大于抗拉强度,表面拉应力可能先达 到并超过 昆凝土抗拉强度,而产生间距大致相等的 直线裂缝(称温差裂缝),该桥的上翼缘板上的斜 裂缝形态正是如此。 3.2沿预应力管道方向的裂缝 3.2.1预应力管道压浆后受冻膨胀 预应力管道压浆时或压浆后如梁体保温措施 332 铁道科学与工程学报 2015年4月 采取不力,当环境温度低于0℃时,极易造成管道 内的压浆液受冻膨胀,使梁体混凝土在与管道垂直 方向的薄弱断面上产生较大的拉应力,该拉应力与 纵向预压应力因泊松效应产生的拉应力产生叠加 圈,当此拉应力达到了混凝土材料的极限抗拉强度 时,该区域混凝土纤维发生断裂,造成管道内壁出 数r,P和丁分别为单位长度预应力束所受的法向 压应力和摩擦力,Ⅳ为预拉力, 为钢筋与管道壁的 摩擦系数, =plx。将各力投影到 和Y轴上,有平 衡方程式(1)一(2): ∑ :0一N+(‘一 、 |7v+dⅣ)c删+p一 txdOc。s 一1  prdOsin dO:现初始裂缝。当拉断的纤维退出工作后,紧靠断裂 0 (1) 区的混凝土拉应力激增,从而导致新的混凝土纤维 出现断裂,裂缝逐步由管道内壁向混凝土表面扩 展,直至最后到达梁体表面。 经现场查阅沅水特大桥的张拉时问和压浆日 期。该桥建设期均属于南方的春天,天气比较好, 气温比较高,故可排除是预应力管道压浆后受冻膨 胀影起的裂缝。 3.2.2混凝土强度 沅水特大桥施工工艺采用后张法。如果预应 力张拉时,混凝土强度低,产生纵向开裂。 沅水特大桥混凝土设计强度为500号混凝土, 强度等级相当于C48。经现场对该桥的混凝土强 度进行检验,得出混凝土强度都满足设计要求,故 可排除是因混凝土强度低产生的裂缝。 3.2.3预应力及管道 首先对T梁沿预应力管道方向的纵向裂缝受 力分析。 通过调查发现这种梁的裂缝往往出现在预应 力筋张拉后,也就是说预应力使梁产生的裂缝,有 裂缝存在那么一定有一个与裂缝方向垂直的力存 在,而这种梁一般为曲线型预应力管道,弯曲部分 的管道内壁上缘将对预应力束产生径向压力P, 如图2所示。 图2 曲线管道微分段预应力束受力示意图 Fig.2 Force diagram of prestressed beam in the ourve of the pipeline section to differential 截取管道曲线部分的微分段,设曲率半径为常 ∑Y=O(N+dN)sindO—p/zrdOsin dO— prdOc。 dO:0 (2) 由于当d0--- ̄0时,c。sdO:c。s dO:1,sind0:dO, sin dOdO: ,略去高阶微量,所以由式(1)~(2), 得式(3)一(4); 一dN=purdO (3) p= N (4) 由式(4)可知:管道内壁对预应力束产生径向 压力为P,那么预应力束对管道内壁产生的压力为 一P,预应力束对管道内壁产生的压力与该处预应 力筋的预拉力Ⅳ成正比,与预应力筋的曲率半径r 成反比。当由径向压力一P产生的对混凝土的压 应力大于混凝土的标准抗拉强度时,混凝土产生 裂缝。裂缝多沿肋上部的预应力束产生,这正是由 于该预应力束的曲率半径r较小,而各束的Ⅳ是相 同的,所以P相对较大。 按式(4)对前面提到的新桥T梁底板侧边中 部预应力束进行计算(该束的曲率半径r最小),见 式(5)~(6)。在这里,忽略管道摩阻力对张拉力 Ⅳ的影响,设混凝土所受的径向压应力为P,因为 每束预应力束由5根钢绞线组成,所以近似的取2 根钢绞线的直径和作为钢绞线束与管道的接触宽 度,J,依据设计图纸取沅水特大桥钢绞线束的曲率 半径r=12 m,钢绞线的张拉控制应力取为1 395 MPa,C50混凝土的轴心抗拉极限强度=3.1O MPa。 N 1 395×10 ×139×10一 ×5 p 了 —————] ———一 80.794 kN/m (5) 80.794 一 一 一 一 。一f一0.030 48— 2.650 7 MPa<R =3.10 MPa (6) R? = 3.10 …%  (7) 第2期 李昀:预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理 333 由式(7)可知,混凝土所受拉应力为混凝土的 极限轴心抗拉强度的86%,也就是说如果管道的 曲率半径减小14%或预应力超张拉超过14%,使 预应力管道处混凝土所受的拉应力超过混凝土的 标准抗拉强度,那么都将产生沿肋部顶端预应力管 道方向的裂缝,有时沿其他管道也可能有裂缝产 生,而且这种裂缝是难以闭合的。 因此,预应力管道位置的偏差和预应力的张拉 力过大是引起这种裂缝的主要原因。 此外,T梁体下翼缘钢筋布置很密导致混凝土 较难振捣密实,该部位混凝土抗裂性能差。水泥浆 配合比中,过多的水泥用量导致混凝土水化热较 高,热量过多地囤积在预应力孔道内得不到释放, 导致梁底或腹板与下翼缘交界处沿预应力孔道方 向开裂。 3.3梁端斜竖向裂缝 首先对T梁上翼缘底部与腹板交界处斜竖向 裂缝受力进行分析。主要问题是左侧梁体上翼缘 底部出现不规则裂纹,其中长沙台侧裂纹较为严 重,一共有4条,出现在腹板及上翼缘底部,缝宽为 0.1~0.2 mm,其中有1条在上翼缘与腹板交接处 (长0.7m左右)。石门台侧上部也有1条裂纹。 桥上线路为直线。可见,该类型裂缝,多处于台座 出,即支座处。该类裂缝为斜向裂缝,倾斜角度约 为30。~40。。有裂缝存在那么就一定有一个与裂 缝方向垂直的力存在。该处处于梁端,下有支座约 束,上下预应力钢束产生的不对称弯矩受支座约 束,如图3所示。 \ 一一………………… ●●- 、\、 l / 2 F_— fv1 而一一一一 支啦  .『 图3 梁端支座上方裂缝受力示意图 Fig.3 Force diagram of the crack of the support above beam end 将T梁所有预应力钢束简化为2根,即上部预 应力钢束和下部预应力钢束。设下部预应力钢束 张拉力为Ⅳ ,上部预应力钢束张拉力为Ⅳ 为垂 直于裂缝的摩擦力。将各力投影到 和Y轴上,根 据弯矩平衡,有平衡方程式如下: ∑M。=0得 一Nzcos02f2一fcos02f2+N1cos01f1:0(8) 由于01 0,cos01 1 所以,上式可简化为 一N2cos02f2一fcos02Z2+Ⅳ1 Z1=0 (9) 则 ycos02f2=N1f1一N2cos0222 (10) Z, 】=N1—co s0~/2一N2 2可见,若上、下侧预应力钢束预张力不同,将会 引起支座上端T梁上翼缘底部处弯矩的不平衡, 其差值超过混凝土的极限轴心拉应力,则会引起该 类型裂缝产生。 4裂缝处理 裂缝是大型钢筋混凝土构件的质量通病。在 修复方案的选择上,应综合考虑,以免因前期方案 选择不当,而给结构安全或后期维修处理带来不利 影响。同时,由于构件一般处于温差大、高潮湿、易 腐蚀等不良工作环境下,在材料的选择上不仅要考 虑其黏接强度、抗压强度,还要考虑其耐久性。根 据裂缝类型,建议处理方法如下。 4.1 混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝 此类裂缝不影响结构使用安全、使用功能, 但影响结构的耐久性。对于混凝土表面成龟裂 状裂缝及直线裂缝,稍窄的裂缝(<0.1 mm)采 用了涂刷树脂封闭胶的方法进行封缝处理;稍宽 (0.1~0.15 mm)的裂缝则采取了较为保守的方 案,以环氧树脂浆为主要灌缝胶材料对裂缝进行 灌浆处理(灌浆压力控制在0.2~0.4 MPa)。裂 缝处理完毕并经适当养护后,用超声波检测,结 果与同条件下无裂缝混凝土无明显差别。在T 梁处理后,应长期监测裂缝变化情况,保证结构 质量安全可靠。 4.2沿预应力管道方向的裂缝及梁端斜竖向裂缝 此类裂缝明显影响了梁的承载能力,随着裂缝 的扩展和延伸,钢筋达到屈服强度,受压区混凝土 应变量增大,梁刚度大大降低,构件趋向破坏。此 类裂缝必须及早采取加固补强,以满足结构安全需 要。对于此类裂缝的处理,首先对其进行环氧树脂 压浆处理,后建议采用黏贴加固法。 334 铁道科学与工程学报 2015年4月 5结论 1)石长铁路沅水特大桥的T梁腹板出现的龟 裂状裂缝及直线裂缝均由于温差引起,对结构承载 力没有大的影响,但对结构耐久性有影响; 2)经现场查勘,T梁腹板沿预应力管道方向的 纵向裂缝不是预应力管道压浆后受冻膨胀引起的, 也不是混凝土强度不够引起的,而是因管道的曲率 半径减小14%或预应力超张拉超过14%使预应力 管道处混凝土所受的拉应力超过混凝土的标准抗 拉强度,从而导致沿肋部顶端预应力管道方向的纵 向裂缝,此类裂缝是结构性裂缝,对结构危害性很 大; 3)T梁上翼缘底部与腹板交界处斜竖向裂缝 是由于上、下侧预应力钢束预张力不同,引起支座 上端T梁上翼缘底部处弯矩的不平衡,其差值超 过混凝土的极限轴心拉应力,则会引起裂缝产生。 此类裂缝也是结构性裂缝,对结构危害性很大,必 须进行加固处理。 参考文献: [1]余志刚.简支梁桥纵向裂缝原因分析及加固方法[J]. 公路交通科技,2012,96(12):149—151. YU Zhigang.Analysis and strengthening method of f0rma— tion of longitudinal cracks in beam bridge[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012,96(12):149—151. [2]宋一凡,崔军,赵小星,等.钢筋}昆凝土T型梁桥裂缝特 征参数与结构评估试验研究[J].交通运输工程学报, 2001,3(1):46—49. SONG Yifan,CUI Jun,ZHAO Xiaoxing,et a1.Testing research on the relation between the crack distinctive fea— ture and the structural performance of reinforced concrete T—beams[J].Journal of Traifc and Transportation Engi. neering,2001,3(1):46—49. [3]李捷,童浩.空心板梁使用阶段底板应力分析及纵向裂 缝成因研究[J].现代交通技术,2013,10(2):30—31. U Jie,TONG Hao.Study on floor stress of hollow plate beams and causes of longitudinal cracks in service stage [J].Modern Transportation Technology,2013,10(2): 30—31. [4]郑升宝,曹正洲,谭科.预应力混凝土T梁裂缝的分析 [J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(4): 658—659. ZHENG Shengbao,CAO Zhengzhou,TAN Ke.Crack eau— ses of pre—stressed concrete T bcam[J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2009, 28(4):658—659. [5]姜增国,姜川,郭玉峰,等.预制混凝土T梁早期裂缝原 因分析[J].武汉工程大学学报,2012,34(5):23—26. JIANG Zengguo,JIANG Chuan,GUO Yufeng,et a1.In— vestigation on crack effects of pre——stressed concrete T—- beam at early stage based on finite element analysis[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology,2012,34(5): 23—26. [6]XU Xuejun,ZHANG Xiaoning.Crack detection of rein— forced concrete bridge using video image[J].Journal of Central South University of Technoloyg,2013(20):2605 2613. [7]TONG Xuhang,GUO Jie,LING run,et a1.A new im— age--based method for concrete bridge bottom crack de— tection[C]//Image Analysis an d Signal Processing.New York:IEEE,2011:568—571. [8]XU Bing,YIN Guansheng,LIU Xiaowei.A technology based on image processing for the bridge crack measure— ment[J].Applied Mechanics and Mechanical Engineer— ing,2012(138/189):569—574. 『9]Ibraheem 0 F,Abu Bakar B H,Johari I.Finite element analysis of reinforced concrete spandrel beams under con— bined loading[J].Computers and Concrete,2014,13 (2):291—308. [10]钱晓倩,詹树林,方明晖,等.减水剂对混凝土收缩和 裂缝的负影响[J].铁道科学与工程学报,2004,1 (2):19—25. OIAN Xiaogian,ZHAN Shuiin,FANG Minhui,et a1. Negative influence of superplastieisers on shrinkage and cracking of concrete[J].Journal of Railway Science and Engineering,2004,1(2):19—25. [11]张春生,严保山,丁亚红.表层嵌贴预应力螺旋肋钢丝 ?昆凝土梁的裂缝性能研究[J].铁道科学与工程学 报,2013,10(4):76—80. ZHANG Chunsheng,YAN Baoshan,DING Yahong.Study on the cracking properties of RC beams strengthened with near surfaee mounted prestressed helical rib steel wire [J].Journal of Railway Science and Engineering,2013, 10(4):76—80. [12]钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究 [J].铁道科学与工程学报,2006,3(3):7—14. ZHONG Xingu.Analysis and prevention of the cracks in continuous prestressed concrete box—girder bridges[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2006,3 (3):7—14. (编辑阳丽霞) 

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