挂篮施工法桥梁合拢段纵向裂缝分析

关键词：挂篮浇注施工；桥梁合拢段；纵向裂缝 

　　1引言 

　　挂篮是悬臂浇筑法施工作业的主要设备。它主要包括主桁架、悬吊系与平衡重、行走系统、工作平台以及底模。采用挂篮施工法的桥梁合拢段在使用的过程中，会不同程度的产生纵向裂缝，本文从空间有限元分析的角度，对挂篮施工法桥梁合拢段纵向裂缝的成因进行简单分析。 

　　2挂篮施工法桥梁合拢段纵向裂缝成因分析-结构受力分析 

　　2.1工程概况 

　　某主桥上部的结构采用的是（60+90+60）m的三跨预应力混凝土变截面单箱单室连续箱梁，主跨箱梁的中心高度跨中是2.3m，按照二次抛物线的变化至距主墩的中心1.5m处是5.2m。主桥箱梁在0号块墩顶处设置一道厚度时3m的横隔板，中跨跨中设置一个厚度是0.8m的横隔板以及边跨端部要设置厚度是1.5m的横隔板。桥面2%横坡是根据调整箱梁顶板的坡度形成的，箱梁地面与箱梁顶板平行，桥顶面形成单向是2%的横坡。主桥箱梁部分运用纵向的预应力体系。 

　　主桥箱梁横断面使用单箱单室悬臂的结构，直腹板，顶板的宽度是12m，底板的宽度是7m，桥面板悬臂的长度是2.5m，悬臂板端部的厚度是20cm，根部的厚度是60cm。箱梁顶板的厚度是28cm。底板的厚度是由跨中的28cm按照二次抛物线的变化至距主墩中心1.5m处的80cm。 ；之外为8m厚的厚度过渡段，腹板厚度由80cm线性渐变至60cm，从距主墩中心32m处直至中跨跨中或边跨支点腹板厚度为60cm。 

　　主桥连续箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，0号块采用支架现浇，1-11号块采用对称平衡悬臂逐段浇筑法施工，箱梁纵向悬臂浇注分段长度为（6×3m+5×4m）。箱梁墩顶现浇块件（即0号块）总长12m，边跨现浇段长度为13.92m，中跨合拢段长度为2.0m。悬臂浇筑梁段中最大重量为116吨，挂篮自重暂时按60吨考虑，中跨合拢段施工吊架自重按30吨考虑。 

　　根据位置及功能的不同，可将箱梁纵向预应力钢束分为腹板束、顶板束、中跨地板束、边跨地板束和边跨及中跨合拢束。纵向钢束均采用两端张拉。 

　　为加强箱梁整体性，承受横向弯矩，中横梁布置横向预应力和竖向预应力。 

　　主桥下部结构采用钢筋混凝土柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。主墩墩身为圆端形截面，厚度为3.0m，宽度为7.0m。主墩采用矩形承台，厚度为3.0m，基桩为8Ф1.5m的钻孔灌注桩。 

　　主、引桥过渡墩为双柱式桥墩，矩形1.6×1.6m墩身，墩顶设置盖梁。下部采用4根直径Ф1.5m钻孔灌注桩，墩柱与桩基之间采用承台过度，承台厚度为2.5m。 

　　2.2空间分析计算 

　　通过该桥所具备的结构特点，其在纵向以及横向上都是对称的，合拢预应力束在纵、横向可以采取对称布置的方式，通过对称性原理可以发现，空间计算的模型取箱梁的一半即可，纵向可选取5、6、7号和合拢块。箱梁混凝土所使用的是Solid187单元，预应力筋所使用的是Link8单元。预应力钢束使用降温法进行模拟，坐标轴的方向按照顺桥的方向为z轴，横桥的方向为x轴，竖桥的方向为y轴，系统坐标的原点选取合拢块顶板上方的中点位置，划分网格单元要注意，须采用自动划分的形式，边界条件则根据平面杆系全桥模型的成桥状态，计算出相应的位移施加，有限元模型如图1所示。 

　　2.3计算结果及分析 

　　沿箱梁底板上、下边缘的x=0.0 m， ，0.35 m， ，0.65 m， ， 0.95m， ，1.25 m， ，1.55 m， ，1.85 m， ，2.15 m处，即横桥向正应力的分布。 

　　2.3.1底板上方混凝土横向正应力的分布 

　　根据计算结果可知：1）对于底板下表面，x=0～0.50 m，混凝土的横桥向正应力表现为压应力；2） x=0.65 m，拉应力开始出现。x=0.95～1.85 m，混凝土的横桥向正应力则是较大程度的拉应力，多数应力值已经远远大于强度等级为C50的混凝土抗拉强度设计数值，此时，便会产生纵向的裂缝；3）x=2.00 m，此处的拉应力值比较小，混凝土在一定程度上处于受压的状态。 

　　2.3.2 底板下方混凝土的横向正应力分布 

　　通过计算结果可知：1）底板下表面，x=0～1.40 m处，混凝土的横桥向正应力表现为拉应力，多数已经大于2 MPa；2）x=1.55～1.70 m处，拉应力呈现出降低的趋势。这里只是一小部分混凝土的横桥向拉应力超过了2 MPa，此种现象的存在也会使纵向裂缝产生；3）x=1.85 m处以后，此时混凝土多数处于受压的状态。 

　　2.4纵向裂缝原因分析 

　　基于上述的计算结果，结合施工现场的裂缝状态的勘察以及设计、施工图纸的研究分析，预应力在张拉时，混凝土本身的强度是能够满足施工要求的，预应力管道的偏差也是包含在允许的范围内，因此，底板纵向裂缝的产生时间应该是在合拢块浇筑以后。因为预应力过大，箱梁的截面尺寸也较大，泊松比的效应较为明显，造成横桥向拉应力值越来越大，超过了混凝土抗拉强度的设计值，从而使底板产生纵向的裂缝。另外，合拢段产生纵向裂缝的原因还可能是预应力钢绞线的预应力作用过大，或者是由于其它各种因素效应产生的横向拉应力变大的缘故。当底板的横向配筋不足或者是钢筋的尺寸不够时，整体结构的抗弯能力将大大减弱，那么，底板必然会产生很大的横向拉应力，当横向拉应力值大于混凝土的抗拉强度时，底板就会产生纵向的裂缝。

　　3挂篮施工法桥梁合拢段纵向裂缝成因分析-试验检测分析 

　　桥跨结构在预应力的偏心作用下，容易产生挠曲变形，预应力筋在张力作用下可以保持直线的状态，所以力筋对变形的桥梁产生了反向的作用力。反向的作用力 q 可通过荷载平衡法来进行计算。 

　　在实验室制作一试验梁，然后对试验梁进行分级加载，试验梁在张拉阶段和荷载试验阶段，设置了大量的应变片，这对构件的变形、钢筋的应变、砼的应变能力是个考验，特别在预应力筋位置砼的上下两表面，进行全过程的测试，试验表明，试验梁在张拉过程中，底板上表面横向拉应变为下表面的50%左右，但是理论横向拉应变仅为实测底板的一半，此种现象说明局部效应十分明显，极易产生纵向裂缝。 

　　4 结束语 

　　通过分析挂篮施工法桥梁合拢段纵向裂缝产生的原因，得出以下几点结论，希望可以对实际工程有所帮助。 

　　（1） 在中跨底板合拢束的不利空间效应作用下，跨中附近的箱梁底板则会产生较大的横向拉应力。关于大跨径的连续箱梁底板合拢束的空间不良影响，设计人员在整个桥梁的整体平面计算中，是很容易忽略这方面的问题，因此，在设计中，设计人员应该应逐段进行验算。 

　　（2） 根据对比隔震结构与传统抗震结构在竖向地震波的激励反应能够发现，隔震结构在一定程度上能放大竖向地震波的作用，因此，设计隔震结构时，一定要计算隔震结构在竖向地震波的激励反应，以此判断隔震结构的设计是否能够达到安全度以及稳定性的要求。此时还要考虑到结构在竖向地震波的作用下，结构内力是如何发生变化的。从而对结构的配筋以及截面积进行合理的设计。 

　　（3） 设计人员在进行底板合拢束布置时，必须要严格按照布置的原则，尽量地靠近腹板进行布置，并根据实际的受力情况，对抗径向力的吊筋构造进行设计，否则底板混凝土容易出现拉脱的现象；另外，由于底板内上下两层均有纵向以及横向构造的钢筋，因此，为了确保钢筋能够形成构成骨架，应该布置“平衡钢筋”，将上下两层的横向钢筋连接成为一个整体，从而防止底板的纵向裂缝以及劈裂所产生的破坏；另外，底板较薄时，最好不要在底板进行预应力钢筋的设置，这样可以确保波纹管下混凝土的质量。 

　　（4） 为了避免薄壁箱梁底板在张拉合拢束时产生的纵向开裂，必须保证其厚度和波纹管下方的混凝土最小保护层的厚度。 

　　（5） 对于预应力混凝土连续箱梁桥的设计，须重视箱梁底板的尺寸拟定以及构造钢筋，底板的厚度尤为重要，先运用平面程序进行整体方面的计算，接下来运用空间分析程序进行局部的验算。 

　　参考文献 

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　　[2] 李俊.连续刚构桥底板纵向裂纹原因分析[J].公路，2005 

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　　[4] 虞建成，李旺丰.某连续刚构桥中跨跨中底板纵向裂缝成因分析[J].中外公路，2007，27（1）：115-118.