大跨度预应力混凝土连续刚构连续梁桥箱梁开裂预防技术研究

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大跨度预应力混凝土连续刚构连续梁桥箱梁开裂预防技术研究,研 究 内 容,2.,预应力混凝土箱梁裂缝类型式及其成因的初步分析（已完成）,3.,综合考虑混凝土箱梁整体弯曲、扭转（约束与纯扭转）、横向框架变形、 畸变、剪力滞后分析模型及程序编制（已完成部分）,4.,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥设计参数敏感性分析，合龙方案优化分析（已完成部分）,5.,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥竖向预应力系统研究（已完成）,6.,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥长期变形性能研究（正在进行）,7.,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥模型试验研究（已完成部分）,1.,混凝土箱梁桥的研究概况,1.,混凝土箱梁桥的研究概况,现行的混凝土箱梁设计一直沿用矩形和,T,形梁长期使用的线弹性理论计算应力，然后按极限状态法计算极限承载力、抗裂性。现行混凝土箱梁桥设计方法基本考虑了弯曲，扭转，剪力滞后（有效翼缘宽度）及横向弯曲应力（桥面板计算）。,最明显的不足是采用平面分析和一般的空间梁单元分析基本无法考虑翘曲，横向弯曲，畸变引起的,二次应力,。在对二次应力分布特征不清楚的情况下进行配筋设计很有可能导致混凝土箱梁桥开裂。,2,、箱梁裂缝类型式及其成因的初步分析,2.1,裂缝的主要类型（,10,种类型）, 斜裂缝：主要发生在边跨支座附近，中跨,1/43/4,跨之间，靠近腹板的上缘，倾角为,45,度左右；, 水平裂缝：主要发生在中边跨边端支座附近、腹板的上缘，少数情况在腹板的下缘；,与底板、顶板平行轴向裂缝；, 劈裂裂缝：在悬臂段施工过程中，纵向预应力张拉后，在纵向预应力弯段部分产生与纵向预应力方向基本相同的裂缝；, 横隔、板齿板局部裂缝：箱梁横隔板的放射性裂 缝，在人洞之间的竖向裂缝，预应力锚固部位的齿板附近的裂缝。,2.2,箱梁裂缝产生的初步原因分析,（,a,）箱梁截面刚位移（经典梁）,(b),箱梁截面畸变位移,开裂原因,：,图,2-11,箱梁截面位移模式,图,2-12,腹板竖向正向应力分布规律,RS,？,应力,(,作用效应,),计算考虑不足；设计参数不合理；施工水平达不到设计要求。,3.,综合考虑混凝土箱梁整体弯曲、扭转（约束与纯扭转）、横向框架变形、畸变、剪力滞后分析模型及程序编制,3.1,箱梁整体性能分析程序（已完成），程序正在编制 之中 ；,3.2,畸变单元刚度矩阵和广义内力表达式，程序正在编制之中。,畸 变 刚 度 矩 阵,4.,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥设计参数敏感性分析，合龙方案优化分析（已完成部分）,共收集国内外,112,座箱梁桥,中边跨比、高跨比、箱梁下缘曲线、顶底板腹板厚度、预应力,4. 0,桥箱梁桥设计参数统计,图,4-1,国内外部分刚构桥边中跨比,图,4-2,国内部分刚构桥高跨比,图,4-3,国外部分刚构桥高跨比,下缘曲线幂次组成百分比图,0.78,0.5,0.5642,0.02021,0.5224,0.02295,4.1,边中跨比值对边跨的腹板主拉应力影响研究；,4.2,高跨比值与箱梁下缘曲线选取，对腹板主拉应力的影响分析；,4.3,底板厚度曲线参数确定，对腹板主拉应力的影响分析；,4.4,桥箱腹板厚度取值与腹板主拉应力关系（正在研究之中）；,4.5,合龙方案优化研究（正在研究之中）。,图,4-17,主梁腹板横截面图,图,4-9,桥梁计算模型,4.1,边中跨比值对边跨的腹板主拉应力影响,图,4-19,腹板中性轴处主应力变化图,(MPa),结论：,边跨主梁腹板截面中性轴主应力分析出发，边墩与,L/4,跨位置截面腹板主应力变化趋势一样，先增大后减小；,L/2,跨与根部位置腹板主应力变化形式相同，逐渐增大；而,L/8,跨附近截面腹板主应力却逐渐减小，根据分析边中跨比选取,0.5825,附近是比较合适的。,图,4-20,腹板腹底界处主应力变化图,(MPa),4.2,高跨比值对腹板主拉 应力的影响分析,图,4-28,边,L/4,腹板截面主应力变化图,图,4-29,中,L/4,腹板截面主应力变化图,结论：,主梁,L/4,跨附近腹板截面主应力全受压，并随高跨比增大腹顶界处、腹底处主应力先增大后减小再增大；中,L/4,跨腹板截面主应力逐步增大，边,L/4,跨附近腹板截面受压主应力先增大后减小；考虑主梁材料数量，主梁,L/4,附近高跨比为,0.0325,时为最适宜。,4.3,箱梁下缘曲线选取对腹板主拉应力 的影响分析,图,4-40,主梁,L/4,跨主梁腹板主应力变化图,图,4-,41,主梁,L/8,跨主梁腹板主应力变化图,结论：,主梁,L/4,跨处截面腹板主应力值与箱梁下缘曲线幂次成正比，这与主梁恒载与梁高减小分不开；而主梁边,L/8,跨处截面腹板受拉主应力值几乎不发生变化，变化幅度很小；主梁中,L/8,跨处截面腹板受拉主应力值随曲线幂次增大而先减小后逐渐增大。,4.4,箱梁底板厚度曲线幂次对腹板主拉应力的影响分析,图,4-54,主梁,L/4,跨截面腹板主拉应力变化图,图,4-55,主梁,L/8,跨和根部截面腹板主拉应力变化图,结论：,主梁,L/4,跨处截面腹板受压主应力值与底板厚度曲线幂次成正比，受拉主应力与底板厚度曲线幂次成反比；而主梁边,L/8,跨处、箱梁根部附近截面腹板受拉主应力值随曲线幂次增大而逐渐减小，这些截面主应力的变化与主梁的剪力、恒载减小有关。,5,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥竖向预应力系统研究（已完成）,5.1,竖向预应力在箱梁腹板中的分布规律；,5.2,竖向预应力张拉方式对腹板应力分布的影响；,5.3,竖向预应力孔道及压浆饱满度对腹板截面抗剪性能,的影响作用；,5.4,竖向预应力瞬时损失分析；,5.5,竖向预应力长期损失试验研究；,5.6,竖向预应力锚具安装倾角误差及对预应力损失的影响；,5.7,提高竖向预应力作用效果的主要途径。,5.1,竖向预应力在箱梁腹板中的分布规律,图,5-6 Y=0,截面应力分布,图,5-13,不同竖向预应力间距下的,K,曲线,现 场 测 试,公 式,5.1,竖向预应力张拉方式的影响,图,5-15,腹板中部处竖向正应力,图,5-14,箱梁悬臂浇筑施工示意图,分段张拉应力云图,滞后张拉应力云图,应力空白区,(,应力最小,-1.35E+06Pa),应力最大,-4.01E+06Pa,应力最小,-.2.30E+06Pa,应力最大,-2.59E+06Pa,5.3,竖向预应力孔道及压浆饱满度对腹板截面抗剪性能的影响作用,竖向预应力孔道在漏灌浆情况下会明显引起腹板的主拉应力增加，降低竖向预应力使用效果；,在荷载作用下会提前出现斜裂缝，并在漏灌浆的预应力孔道加速裂缝发育；,研究表明桥梁施工等相关单位必须高度重视竖向预应力孔道灌浆的质量与检测工作，否则有可能 造成混凝土箱梁的开裂。,有限元模型,试 验 梁,5.4.1,精轧螺纹钢筋与孔道之间的摩阻引起的预应力的损失,5.4.2,张拉后锚具变形，钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失,5.4.3,竖向预应力锚具安装倾角误差对竖向预应力回缩瞬时损失影响,5.4.4,混凝土弹性压缩引起的预应力损失,5.4,竖向预应力瞬时损失分析,现 场 测 试,不同梁高试验梁,现 场 测 试,L1,摩阻损失占比例很小，只占张拉控制力的,2%,；,L2,损失主要是由钢筋与螺母相对滑移引起的；比规范计算结果略大，考虑到接缝压缩等因素影响，规范取值是合适的；,锚具安装倾角误差造成的预应力损失要远大于规范规定的锚具变形等引起的预应力损失计算值，计算竖向预应力损失小于实际损失，未计入锚具安装误差是重要原因；,L4,混凝土弹性压缩引起的预应力损失较小，主要与前后张拉的预应力钢筋的间距以及张拉力大小有关；,实际竖向预应力施工：施工无规可循，张拉随意，人为因素影响极大。,5.4,竖向预应力瞬时损失分析,5.5,竖向预应力长期损失试验研究,图,5-48,无线数据采集系统示意图,现 场 布线,安装传感器,5.5,竖向预应力长期损失试验研究,图,5-51,预应力损失与时间关系,图,5-52,预应力损失与一天时间关系,10%,新旧桥规计算结果均接近实桥测试值，说明腹板计算模型简化与接触周长的选取是可行的；,04,桥规比,85,桥规竖向预应力长期损失的计算值更接近测试值；,沅水大桥的竖向预应力（加载龄期为,40,天）由混凝土收缩徐变造成的长期损失占总长期损失近,50%,，长期损失占初始控制力的,10%,，因此在竖向预应力张拉时充分考虑混凝土（加载龄期）的影响，尽量滞后张拉。,5.5,竖向预应力长期损失试验研究,5.6,竖向预应力锚具安装倾角误差及对预应力损失的影响,桥 名,桥型,跨径,锚固类型,竖向预应力,样本数,赤山,特大桥,单箱单室,62m+5105m+62m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,480,砼连续梁,永胜,特大桥,单箱单室,107m+210m+107m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,424,砼连续刚构,吉昌,特大桥,单箱单室,90m+155m+90m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,296,砼连续梁,板沙尾,特大桥,单箱单室,108m+2185m+108m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,390,砼连续刚构,容南,特大桥,单箱单室,78m+2135m+81m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,251,砼连续梁,西海,特大桥,单箱单室,45m+275m+45m,YGM,锚固体系,32mm,精轧螺纹钢筋,374,砼连续刚构,5.6,竖向预应力锚具安装倾角误差及对预应力损失的影响,锚垫板安装过程中存在安装倾角误差，其平均值为,2.377,，在进行竖向预应和损失计算时，必须考虑锚垫板安装倾角的影响；,从各桥测量得到的样本的平均值标准差变异系数基本相等，就锚垫板的安装，六座大桥的施工水平相当，没有差异，其采集的样本可以代表国内的施工水平；,6,个样本空间数据平均值在,2.0852.648,之间，标准差平均达,1.277,，样本数值普遍较高、个体差异较大。统计内容为一个正误差类型的概率统计，误差的平均值大小第一时间反映施工水平的高低。体现目前国内桥梁建设行业对竖向预应力施工没有引起足够重视、缺乏严格的监控机制；,6,座桥锚垫板安装不同程度存在较大的安装偏角，其中最大值达,8,。对于锚垫板出现,8,安装倾角误差，精轧螺纹钢筋被完全压弯，预应力损失殆尽。,、,图,5-65,总体密度函数曲线和分布函数曲线,5.6,竖向预应力锚具安装倾角误差及对预应力损失的影响,回归分析竖向预应力锚垫板安装倾角误差的总体分布,若,以锚垫板安装倾角误差,4.75,计算预应力损失比规范值偏大。,=4.75,数显倾角仪,钢筋弯曲,图,5-66,扭矩与预应力损失关系 图,5-67,不同倾角的扭矩与附加拉力关系,5.6,扭矩、安装倾角与预应力损失关系,扭矩产生的附加张拉力预先压缩了螺母、锚垫板、混凝土之间的缝隙，减小锚固应力损失；, 对于,3,个不同安装倾角误差的精轧螺纹钢筋，扭矩作用之下产生的附加张拉力基本一致，图,5-67,三条曲线基本重合，说明扭矩的附加力作用对于锚垫板不同倾角的精轧螺纹钢筋效果没有区别；, 施加扭矩越大预应力损失越小，在施加,1200Nm,（人工极限），扭矩后预应力损失平均下降,10%,，效果明显，但,5,倾角的回缩损失仍达到,20%,，大于规范计算值，说明施加扭矩不能完全解决竖向预应力锚固损失过大问题，还需要减小锚垫板安装倾角误差配合，采用孔道端面垂直检查器进行指导施工是必要的。,5.7,提高竖向预应力作用效果的主要途径,5.7.1,拉伸,-,扭矩法（限力扭力扳手）,先利用千斤顶施加控制张拉力，张拉到位后，利用限力扭力扳手施加一定扭矩（此方法称为拉伸,-,扭矩法），在施加扭矩过程中，在竖向预应力增加附加轴向拉力外，同时使工作钢筋的拉力减小。,（,a,） （,b,）,图,5-68,拉伸,-,扭矩法测试,压力传感器,限力扭力扳手,a),L,=2m b) L=4m,c),L,=6m d),L,=8m,5.7.2,不同钢筋长度、张拉控制力、扭矩与预应力损失关系,图,5-70,竖向预应力施工流程图,竖向预应力施工流程,二次张拉,滞后张拉,扭力扳手,7,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥模型试验研究,有机玻璃的模型能较好的模拟实际箱梁尺寸比例，但不能反映混凝土材 料的弹塑性特点 ；,混凝土模型梁则存在比例相对小而壁厚相对较大的情况，不能充分反映箱室薄壁效应，过小的比例也会产生尺寸效应上引起的力学行为差异；,未考虑如何充分结合实桥的施工特点，即结构的“形成历史” 。,试验研究不足之处,:,7,大跨度预应力混凝土连续刚构（连续梁）桥箱梁桥模型试验研究,模型梁尺寸,模型梁预应力布置,底板束,顶板束,下弯束,1,）验证变截面预应力混凝土箱梁现有设计理论与实际的偏差（偏载系数）；,2,）验证变截面预应力混凝土箱梁横向框架变形（建立横向框架有限元分析模 型）；,3,）验证变截面预应力混凝土箱梁扭转分析理论（建立考虑变截面预应力混凝土约束扭转有限元分析模型）；,4,）验证变截面预应力混凝土箱梁畸变分析理论（建立考虑变截面预应力混凝土箱梁畸变分析有限元分析模型）；,5,）验证变截面预应力混凝土箱梁剪力滞后分析理论，模拟悬臂施工过程，测试纵向预应力影响，特别是对负剪力滞后存在进行验证与分析（建立变截面预应力混凝土箱梁剪力滞后有限元分析模型）；,6,）验证变截面预应力混凝土箱梁温度效应（建立变截面预应力混凝土箱梁温度效应有限元分析模型）；,7,）验证变截面预应力混凝土箱梁开裂模式及裂缝扩展模型（建立变截面预应力混凝土箱梁极限承载力分析模型）；,8,）混凝土箱梁在设计时如何确定偏载系数和荷载横向分布系数一直是困扰设计工程师的难题，通过模型试验，进行多种工况的偏载系数横向荷载分布系数的研究。,7.2,模型试验梁研究目标：,