钟秀大桥底板缺陷分析

1/17钟秀大桥主桥箱梁底板病害分析一、桥梁概况钟秀大桥位于南通市区北城大桥与二号桥之间，跨越通吕运河，规划三级航道，通航净空70x5.5m。主桥采用（60+100+60）m三跨变截面连续箱梁，桥梁全宽30m，两幅桥并列设置，中间设置2cm沉降缝，单幅桥宽14.99m。箱梁采用单箱单室截面，外侧悬臂3.5m，内侧悬臂3.49m，箱梁底宽9m。主墩顶箱梁中心梁高5.6m，跨中梁高2.6m，箱梁高度由跨中2.6m按二次抛物线渐变至支点处的5.6m。主桥箱梁采用纵横竖三向预应力体系。跨中下缘设置32束（每束15根钢绞线）底板合龙束，预应力束孔道中心间距为16cm。图1桥梁立面图21/2中跨立面二、现阶段主桥箱梁底板主要病害状况及分析1、错台2/17悬浇节段之间的顶板、底板、腹板均出现不同程度的错台。图3顶板错台图4腹板错台2、蜂窝、麻面、漏筋及空洞3/17图5漏筋麻面图6漏筋麻面空洞4/17图7混凝土修补不密实3、主桥箱梁底板崩裂图8主桥箱梁底板崩裂的总体位置5/17图9东侧桥（南岸12#、13#节段）箱梁底板崩裂图10东侧桥(北岸12#、13#节段)箱梁底板崩裂6/17图11西侧桥南岸（10#、11#节段）箱梁底板崩裂图12西侧桥北岸（12#、13#节段间、12#、11#节段间）箱梁底板崩裂7/17图13西侧桥北岸（12#、13#节段间）4、主桥箱梁底板崩裂现象发生时间左半幅桥：2011年10月6日，在张拉第一批次中跨合拢钢束（据现场反映20束）后，南岸及北岸底板在13#和12#节段接缝处分别出现两处底板崩裂；第二批钢束张拉完成后，崩裂现象未见明显增加。右半幅桥：2011年10月13日，白天张拉第一批次18束钢束，次日早晨在现场发现南岸10#、11#节段接缝处出现一处底板崩裂，北岸在13#、12#节段接缝处及10#、11#节段接缝处分别发生底板混凝土崩裂。两幅桥的边跨底板均未发现崩裂现象。5、主桥箱梁底板发生崩裂呈现的特征（1）边跨箱梁底板没有发生崩裂，仅主跨箱梁底板发生崩裂。8/17（2）张拉主跨箱梁底板合拢束数量约一半时，主跨箱梁底板出现崩裂现象，但在合拢束全部张拉后，并没有发现新的箱梁底板崩裂现象，且随着时间推移，暂未出现箱梁底板崩裂恶化现象。（3）箱梁底板崩裂位置均发生在节段与节段之间的接缝位置处。（4）崩裂现象在桥跨方向不具有对称性，发生的位置有：12#、13#节段接缝，11#、12#节段接缝，11#、10#节段接缝等。（5）箱梁横向位置没有规律性：有发生在腹板附近，有发生在底板横向跨中的。三、主桥箱梁底板崩裂的原因分析预应力混凝土变截面连续箱梁底板崩裂的主要原因是沿底板下缘呈曲线布设底板合拢束张拉后对其下混凝土产生径向压力（简称径向力）。该径向力与单束钢束张拉力成正比，与钢束在该点的曲率半径成反比。当钢束呈平滑曲线布设时，合拢束张拉后产生的向下的径向力一般较小，箱梁底板上、下层钢筋之间设置少量的钩筋即可克服。1、合拢束孔道位置偏差，产生较大的径向力，箱梁底板将会发生崩裂。如果合拢束孔道位置存在较大偏差时，例如预应力钢束在某一位置产生突变，则该点曲率半径将会大幅度的减小，可导致底板向下的径向力数十倍甚至数百倍的增加，当向下的应力超过混凝土拉应力时，造成预应力钢束下缘混凝土因较大径向力作用而发生局部崩裂。2、底板上下层钢筋之间设置的钩筋如果没有达到预期效果，也可能发生崩裂。为克服钢束径向力产生的底板下崩力，设计时在箱梁底板上下层钢筋之间设置钩筋，现场施工时，如果没有按照规定设置钩筋，或设置的钩筋施工质量差，也可能发生崩裂。9/17本项目的主桥箱梁底板钩筋设置及相关要求如下：相应图纸附注明确要求如下：“2.N13~N16为拉筋，顶板、底板、腹板两层钢筋网之间的拉筋呈梅花形布置，相邻两筋顺桥向间距不超过50cm。拉筋应钩在两层钢筋网最外侧钢筋上。拉筋若与预应力管道发生干扰，可适当调整拉筋位置。3.腹板箍筋如与预应力管道发生干扰，截断箍筋后需恢复。4.箍筋和拉筋末端均应做成135度弯钩。”同时在施工图总说明6.4主桥施工要点第22条强调“箱梁顶、底板内竖向拉筋要求必须钩住板的顶面横桥向钢筋及底面横桥向钢筋并焊接或绑扎牢固，拉筋弯折角度要求不小于135°。”若实施时钩筋用量偏少或钩筋变成顶底板之间的架立筋，则该钢筋起不到联系上下层钢筋网及承担预应力钢束径向力的作用，混凝土一旦开裂，就会马上展开，致使底板混凝土局部分层。可能会导致底板崩裂。10/173、预应力孔道下的混凝土保护层厚度不足预应力孔道下的混凝土保护层过薄是导致底板崩裂的诱因之一。4、混凝土质量太差，或强度很不均匀时，也容易发生底板崩裂。混凝土强度不足亦可能导致底板崩裂，混凝土的构成材料、施工中振捣密实程度及混凝土强度增长过程中的养护条件等均会影响混凝土强度。综上所述，导致箱梁底板崩裂的根本原因是预应力束产生向下的径向力，如果节段之间出现错台，或其他原因引起的预应力孔道出现较大偏差，将可能出现数十倍的径向力，必然导致箱梁底板崩裂；如果箱梁底板上下层钢筋之间没有设置有效钩筋、箱梁底板混凝土质量较差、箱梁底板合拢束之间的间距偏差较大等，这些因素也是导致箱梁底板崩裂的重要原因。四、主桥箱梁底板崩裂等主要病害处理建议1、应全面检查病害状况，将病害分类，并将此作记录，便于今后检查进行比对。2、主跨跨中附近约2X20m范围内，应采取措施，加强箱梁底板上、下层钢筋之间的连接，以弥补可能因钩筋施工质量控制不理想状况问题。3、箱梁底板崩裂部位，应采用有效加固措施，恢复箱梁原底板作用，其中，应加强箱梁底板再次防脱落构造措施。4、箱梁底板混凝土缺陷部位应进行有效加固。5、应高度重视本桥成桥的荷载试验情况，建议对本桥在运营期间加强必要的监测。2011年10月23日11/17钟秀大桥主桥纵向计算书1）单元离散2）箱梁应力验算（1）正应力拉应力计算（抗裂验算）：规范规定，全预应力混凝土构件在作用短期效应组合下应符合σst－0.85σpc≤0Mpa经计算在短期效应组合下，主梁上、下缘均未出现拉应力，满足规范全预应力混凝土构件要求。短期效应组合正应力经计算，箱梁跨中下缘最小压应力1.3Mpa，最大压应力14.6Mpa。设计时对中跨底板束配置量进行了试算比较，若将N1钢束减少两束，则跨中下缘最小压应力0.3Mpa，最大压应力13.2Mpa若将N1钢束减少四束，则跨中下缘出现0.4MPa拉应力，最大压应力12.7Mpa12/17（2）主应力主拉应力：规范第6.3条规定：斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算，并应符合下列要求：全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下，现场浇筑构件σtp≤0.4ftk＝0.4×2.65=1.06MPa。在不计入竖向预应力效应下，本桥在作用短期效应组合下，除主墩支点截面（程序未考虑支座削峰作用）截面最大主拉应力1.1Mpa外，其余截面都小于1.06Mpa，满足规范要求；若计入竖向预应力效应，截面主拉应力均满足规范要求。主压应力：规范第7.1.6条规定：使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的主压应力，应符合下列要求：σcp≤0.6fck＝19.44MPa。本桥在标准组合下最大主压应力13.7MPa19.4MPa，满足规范要求。短期荷载效应组合主拉应力及标准组合主压应力（3）施工阶段应力按照新《公桥规》第7.2.8条规定，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：压应力σcct≤0.70fck’，拉应力σctt≤0.70ftk’。本桥设计要求施工时混凝土强度达到标准强度的90%方可张拉预应力钢束，故压应力允许值0.70fck’＝0.7×0.9×32.4＝20.412Mpa，拉应力允许值0.70ftk’＝0.70×0.9×2.65＝1.67Mpa。本桥在施工阶段的应力均满足规范要求。13/17本桥施工阶段最大压应力出现在中跨合龙后预应力钢束张拉全部完成，在该工况下，截面应力如下：3）箱梁抗弯极限承载力验算箱梁纵向抗弯极限承载力计算表明，运营阶段所有区域荷载效应组合值均小于箱梁的承载能力设计值，箱梁抗弯承载力满足规范要求，见下图。箱梁截面最小抗力及其对应内力箱梁截面最大抗力及其对应内力4）箱梁抗剪极限承载力验算箱梁纵向抗剪极限承载力计算表明，运营阶段所有区域荷载效应组合值均小于主梁的承载能力设计值，主桥箱梁抗剪承载力满足规范要求。1/2箱梁最大剪力及其抗力图14/171/2箱梁最小剪力及其抗力图5）箱梁刚度验算经计算，在汽车荷载作用下箱梁竖向最大向下位移为3.3cm，最大向上位移为1.6cm，位移幅值为4.9cm，C50混凝土挠度长期增长系数ηθ=1.425，因此，箱梁最大位移幅值为4×1.425=6.98cm，小于规范容许值L/600=16.7cm，箱梁刚度满足规范要求。15/17跨中合龙段局部受力分析1.计算模型模型取1/2（跨中合龙段+10~13号节段），纵向长度16.5m；边界条件为10#节段端部面横、竖向约束，合龙段中间面采用对称约束，即纵桥向约束；计算工况主要考虑中跨底板合龙束全部张拉完之后该结构的空间局部应力，中跨合龙束按照有效应力1100MPa施加；该模型中单元最大尺寸为20cm，共177176个单元，有限元模型如下图所示。几何模型16/17有限元模型2.计算结论10~13节段及合龙段底板的纵向及竖向应力如图1~图3所示。由计算结果可知，10~13节段及合龙段纵向正应力的压应力水平较高，跨中附近达到了16.3MPa，这与平面杆系模型的纵向应力值17MPa相近，结果可靠。底板竖桥向出现了拉应力，但应力水平很低，仅为0.2MPa，发生在底板倒角附近。图1合龙段附近纵向正应力图17/17图210#段附近纵向正应力图图3合龙段竖向正应力图3.底板钢束径向力的确定底板钢束径向力分布力采用预应力束拉力除以预应力曲线半径来计算，10~13节段底板下缘为二次抛物线，等代圆弧半径为375m左右，半径很大，对应的每根钢绞线的径向力分布力很小，故竖向应力并不大。若在施工阶段接缝处有折角，与上述所示等代圆弧半径相差很大，就会产生一个很大集中力。