客运专线箱梁端部裂纹成因分析及施工控制

客运专线箱梁端部裂纹成因分析及施工控制

1提出问题1.1桥代路设计铁路专业线具有高速动载和噪音频率的特点。这条线路需要足够的稳定性、耐久性、良好的动力特性和较低的维护和维护成本，以满足铁路运营安全、舒适连续乘客的原则。为了满足这些要求,在客运专线建设中采用以桥代路的设计理念,大比例采用混凝土高架桥,同时无砟轨道板取代有砟轨道线路也成为发展方向。根据目前各条线路勘测设计的结果,客运专线建设的高架桥跨结构比例大幅增加,据统计高架桥跨结构总延长公里约占客运专线全长的2/3以上,按“十一五”规划客运专线建设总里程7000km计,其桥梁累计总长约5000km。双线箱型简支梁(见图1)以其强大的抗弯、抗扭刚度及抗裂强度,简单易行的施工工艺,国内外成功的应用实例而被客运专线广泛采用,铁道部经规院发布的系列图纸中对箱梁的主要参数如表1所示,客运专线简支梁以31.5m跨度为主,局部少量采用23.5m跨度梁作为配孔使用。续表1通桥(2005)箱梁主要参数表1.2目前，主运输线的混凝土桥的质量要求根据现行的标准、验收规范、检验细则,客运专线预应力混凝土桥梁的质量要求主要分为原材料和结构性能2个方面:1.2.1预应力技术性能采用高品质的水泥、细骨料、粗骨料,掺入一定量的活性掺合料(往往达到胶结料总量的30%以上)和聚羧酸系高性能减水剂,通过优选混凝土配合比,形成高性能混凝土,在生产(或施工)工程中严格质量控制可以得到满足客运专线混凝土结构100年设计使用年限。如预应力混凝土预制梁C50技术性能:胶凝材料(水泥+掺合料)≤500kg/m3、水胶比≤0.35、含气量2%～4%;混凝土耐久性指标:抗冻融性(D200)、重量损失≤5%,相对动弹性模量≥60%,抗渗性≥P20、抗氯离子渗透性(电通量)≤1000C,碱-硅酸反应(快速砂浆棒膨胀率)≤0.10%、禁用碱-碳酸盐反应活性骨料、混凝土耐腐蚀性及外加剂护筋性应符合设计要求等。1.2.2终张拉或放张弹性上拱设计经静载弯曲抗裂试验后应满足抗裂安全系数大于1.20,静活载挠跨比≤1.05×设计挠跨比,且终张拉(或放张)后梁体弹性上拱要求为设计值±10mm、构造筋保护层厚度在95%保证率下不小于35mm、桥梁钢配件应采用多元共渗或渗锌等防腐处理、桥面防水层及桥梁装配尺寸(全长、跨度、支座螺栓中心距)作为关键项点进行控制等,到目前为止,结构性能的检验未覆盖抗扭转等因素。1.3梁体受拉压梁体端部构造物产生裂纹31.5m跨度客运专线双线箱型简支梁混凝土体积约300余m3,重量高达800余t,底板宽度约为5.6m以上,为四点支撑方式的纵向预应力结构,横向及扭转方向仅为普通钢筋混凝土结构;在灌注施工、移梁存放、提梁架设的各个环节中,如果稍有不慎(如不均匀提梁、“三条腿支撑”存梁、局部初、终张拉等)梁体端部将会产生过高的非预应力方向的局部应力,导致梁体产生相应的受力裂纹。自2006年4月始至今,对在建的各条客运专线的50余个制梁场进行普查,其中有部分梁场所生产的双线简支箱梁端部普遍存在纵向/竖向裂纹。端部纵向裂纹出现的位置一般有2种:(1)出现在端部箱内4个角点处,长度约为0.5～4m左右,宽度小于0.2mm,部分梁体两端裂纹的出现位置呈反对称分布;(2)出现在近端部提梁孔附近,长度一般不超过1m,宽度小于0.1mm。端部竖向裂纹一般出现在端部N2预应力锚穴附近(内箱下角点附近或端部进人孔变截面处),通常裂纹贯穿底板的厚度,宽度小于0.2mm。在建的客运专线某工地一孔箱梁,架设时意外跌落造成端部受到瞬间扭转磕损,出现了上述趋势的裂纹,长度近10m。对该梁的扭转试验结果表明,其抗扭转刚度不足设计刚度值的1/2;而对该梁进行的弯曲抗裂试验则显示无明显影响。可见:端部纵向裂纹主要导致梁体抗扭刚度的折减。2anasys软件建模分析鉴于客运专线预制箱梁张拉及存梁过程中出现端部竖向及纵向裂缝的问题,用Ansys软件研究分析了施加预应力、三点支撑、提梁过程中梁体的应力分布,对裂缝的成因进行了分析,结果简介如下。2.1混凝土应力的施加采用Ansys软件对31.5m跨度简支箱梁建立了有限元计算模型,其中梁体混凝土采用的是solid92单元,预应力筋采用的是link8单元,通过施加初应变的方法来模拟预应力的作用。在整个建模过程中未考虑构造钢筋和锚下垫板的作用,因此各种工况分析结果中混凝土的应力值(特别是与梁体开裂相关的主拉应力)可能偏大,预应力孔道位置的应力有集中现象,由此对分析结果造成一定的影响。整个有限元模型共有42279个单元,74398个节点,支撑(约束)条件与实际情况基本一致。2.2计算总结鉴于目前客运专线尚处于施工阶段,根据施工过程的步骤和存梁、移梁过程易产生的问题,分以下3种工况进行计算分析。2.2.1预测的应力场景2.2.1.拉应力分布由图2可以看出在张拉N2a、N2b预应力筋后梁体底板与腹板交界处的拉应力达到了5MPa,考虑到锚下垫板的影响,该处应力可能有所降低,但是应力的分布趋势不变,它已经成为该处混凝土开裂的原因之一,这与现场检查发现的裂缝相吻合。2.2.1.腹板上与顶板有限元分析图3表明张拉N9、N10预应力筋时,可引起腹板上部与顶板交界处产生局部拉应力,数值可达1.9MPa,锚下应力集中与其它工况叠加是该部位的梁体开裂的重大隐患。2.2.2应力在不同的体中的分布三点支撑工况下,梁体的自重主要由2个对角支座支撑,梁体的受力状况与扭矩作用情况下应力分布比较类似,由图4可以看出应力呈现出反对称的情况。且在同一端的左下角和右上角局部应力达到最大,约为8MPa以上,可导致该处开裂。2.2.3梁体倾斜工况下梁体应力分布在模型中分别计算了梁体整体平稳提升和梁体倾斜工况下的梁体应力分布,结果表明,梁体的应力分布均匀,在顶腹板结合处出现了拉应力,且主拉应力超过0.5MPa。3梁体表面出现的纵向裂纹由上述3种工况的有限元计算结果分析表明:(1)N2a、N2b孔道(位置见前附图)预应力张拉所产生的局部拉应力是该处竖向裂纹产生的主要原因,尤其是预、初张拉时,梁体混凝土强度较低,此时产生管道周围的竖向裂纹可能性较大。(2)梁体端部箱内顶腹板结合处(上角点附近),在“三点支撑”、张拉N9、N10(位置见前附图)预应力筋、提梁时均受到较大的拉应力作用,其中任意两种工况的组合,均可造成该处开裂,产生纵向裂纹,其中三点支撑及预应力张拉产生的裂纹可裂至梁端,提梁过程由梁体自重产生的裂纹出现在梁端变截面提梁孔附近。(3)梁体端部箱内底腹板结合处,由在三点支撑所引起的拉应力达8MPa以上,可导致该处纵裂,裂纹从端部开始向里延伸。(4)“三点支撑”所产生的裂纹具有反对称分布的特点。4现场防范梁体横向裂纹施工(1)根据对箱梁现场施工的实地核查,预应力张拉顺序通常分为预张拉、初张拉、终张拉3个阶段(个别梁场将预、初张拉合并进行),预张拉时混凝土强度仅达到设计强度的60%,预张拉顺序为:N6→N2a→N1b(具体位置见附图所示),其中N2a将对梁端箱内下角点产生局部拉应力的不利影响(现场检查发现正是在此处出现有竖向裂缝),建议调整预应力的施工顺序,预、初张拉时,尽量避免张拉N2a及N1b孔道。(2)现场考核时发现,个别梁场的制梁台座及存梁台座标高及沉降量观测资料不完整,无法确保4个支点的高差控制在2mm之内,可能导致“三点支撑”情况,造成梁体承受扭转作用,产生端部的扭转裂纹;建议严格控制存梁台座的标高,定期观测不均匀沉降量,一旦发现,立即采取措施,避免扭矩的产生。(3)加强提梁孔附近的局部构造钢筋,防止提、移梁时过大的局部应力导致该孔处裂纹的发生和扩展,