梁 勁

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

雙孔箱形框架橋裂縫原因分析及修補方法

梁 勁

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

某高速鐵路段內(nèi)雙孔箱形混凝土框架橋中腹板位置處產(chǎn)生較大裂縫，加之雨水侵蝕，滲水嚴重。通過有限元模型的數(shù)值模擬，分析了該裂縫產(chǎn)生的原因及如何有效控制裂縫的修補措施。檢算結(jié)果表明，采用橫撐修補法可以有效控制裂縫，達到恢復(fù)框架橋中墻耐久性和使用性的目的。

鐵路工程 框架橋裂縫 有限元模型 橫撐修補法.

1 概述

裂縫是混凝土構(gòu)件普遍存在的一種現(xiàn)象，鐵路橋梁、隧道、涵洞、框架橋的裂縫屢見不鮮。裂縫的出現(xiàn)，降低結(jié)構(gòu)的防水性、耐久性和承載能力，也給結(jié)構(gòu)的整體外觀造成不良影響。對于鐵路工程而言，如何阻止或減緩裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展以及裂縫出現(xiàn)后及時整治，并且不影響整體結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，是一項嚴峻、緊迫而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程[1-3]。

某高速鐵路段內(nèi)雙孔箱形框架橋中腹板位置處產(chǎn)生較大裂縫，加之雨水侵蝕，滲水嚴重，如不采用有效的保護加固措施，將會產(chǎn)生嚴重的不良后果，影響行車安全。針對該工程實例，探討鐵路框架橋中出現(xiàn)裂縫后的原因分析及修補方法，并檢算橫向支撐法是否可以較好的控制已有裂縫寬度，達到恢復(fù)框架橋墻體耐久性和使用性的目的。

2 產(chǎn)生裂縫原因分析

該框架橋為鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計標號為C30，框架橋長16 m，分四節(jié)，首節(jié)、末節(jié)均長3 m，框架橋分兩孔，孔徑尺寸為6.4 m×7.6 m。經(jīng)過驗算，該框架橋現(xiàn)有配筋等設(shè)計本身完全滿足規(guī)范對于橋涵裂縫、強度的規(guī)定[5-6]。因此，考慮主要是由于該框架橋在施工時，沒有及時回填雙孔土方導(dǎo)致框架橋中腹板處產(chǎn)生較大裂縫。

為驗證上述原因，現(xiàn)設(shè)計兩組對比工況，并利用有限元板單元進行數(shù)值模擬計算。

2.1 計算模型

數(shù)值模擬計算采用空間有限元法，選取6 m寬的典型涵段建立有限元模型，框架橋涵采用MIDAS板單元模擬。全橋涵計算模型如圖1。模型節(jié)點總數(shù)為1328，劃分單元模型單元數(shù)為1 235個。工程地質(zhì)資料如表1所示，根據(jù)地基土情況，邊界條件采用面彈簧約束底板豎向(彈簧彈性模量由土體模型計算求出)，并在端部約束水平向及縱向。

圖1 計算模型圖

表1 框架橋涵地質(zhì)資料

2.2 荷載工況及荷載組合

根據(jù)框架橋裂縫產(chǎn)生的可能原因，設(shè)計兩組對比工況，選用MIDAS板單元進行有限元模擬計算，分析裂縫生成的原因。具體工況設(shè)計如下。

(1)設(shè)計荷載

自重、二期恒載、土壓力、活荷載等。

(2)荷載組合

工況① ：自重+二恒+擋土墻土壓力(采用等代土層法[4]考慮車輛荷載作用)

工況② ：自重+二恒+擋土墻土壓力(采用等代土層法[4]考慮汽車荷載作用)+單側(cè)回填土壓力

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)內(nèi)力計算結(jié)果

現(xiàn)提取兩組工況下的內(nèi)力計算結(jié)果，見圖2～圖5。

圖2 荷載組合①下主彎矩

圖3 荷載組合①下應(yīng)力

圖4 荷載組合②下主彎矩

圖5 荷載組合②下應(yīng)力

(2)工況①驗算

由圖3可知，荷載工況①下，最大正彎矩產(chǎn)生于中腹板底部與地基相接處，最大彎矩值為0.81 MN·m；最大應(yīng)力產(chǎn)生于中腹板中心位置附近，最大應(yīng)力值為0.9 MPa。

由公式(1)[5]進行截面強度驗算

σc=0.9 MPa<[σb]=9.4 MPa

(1)

式中σc——混凝土壓應(yīng)力/MPa；

M——計算彎矩/(MN·m)；

W0——對混凝土受壓邊緣及所檢算受拉鋼筋重心處的換算截面抵抗矩/m3。

中腹板處采用HRB335鋼筋，鋼筋直徑為14 mm，因此由公式(2)得

σs=14.857 MPa<[σs]=180 MPa

(2)

式中σs——鋼筋拉應(yīng)力/MPa；

M——計算彎矩/(MN·m)；

Ws——對混凝土受壓邊緣及所檢算受拉鋼筋重心處的換算截面抵抗矩/m3；

n——鋼筋的彈性模量與混凝土的變形模量之比。

綜上，工況①下中腹板的配筋滿足規(guī)范中有關(guān)強度的要求。

中腹板處裂縫驗算：

根據(jù)文獻[5]，有

(3)

(4)

(5)

式中Wf——計算裂縫寬度/mm；

K1——鋼筋表面形狀影響系數(shù)，對光鋼筋該值為1.0，帶肋鋼筋為0.8；

K2——菏載特征影響系數(shù)；

α——系數(shù)，對光鋼筋該值為0.5，帶肋鋼筋為0.3；

M1——活載作用下的彎矩/(MN·m)；

M2——恒載作用下的彎矩/(MN·m)；

M——全部計算菏載作用下的彎矩/(MN·m)；

r——中性軸至受拉邊緣的距離與中性軸至受拉鋼筋重心的距離之比，對梁和板，r分別采用1.1和1.2；

σs——受拉鋼筋重心處的鋼筋應(yīng)力/MPa；

Es——鋼筋的彈性模量/MPa；

d——受拉鋼筋直徑/mm；

μz——受拉鋼筋的有效配筋率；

n1，n2，n3——單根，兩根一束，三根一束的受拉鋼筋根數(shù)；

β1β2β3——考慮成束鋼筋的系數(shù)，對單根鋼筋β1=1。兩根一束β2=0.85，三根一束β3=0.7；

As1——單根鋼筋的截面積/m2；

Ac1——與受拉鋼筋相互作用的受拉混凝土面積/m2。

工況②下Wf≈1.2 mm>[Wf]=0.25 mm。

因此，如果框架橋在施工時僅僅開挖土方，而沒有及時進行雙孔回填的話，很容易造成中腹板中心位置處產(chǎn)生較大裂縫。

(3)工況②驗算

由圖4、圖5可知，荷載工況②下，最大正彎矩同樣產(chǎn)生于中腹板底部與地基相接處，最大彎矩值為0.335 MN·m；最大應(yīng)力產(chǎn)生于中腹板中心位置附近，最大應(yīng)力值為0.4 MPa。

截面強度驗算：σc=0.4 MPa<[σb]=9.4 MPa。中腹板處采用HRB335鋼筋，鋼筋直徑為14 mm，因此σs=n·M/Ws=9.72 MPa<[σs]=180 MPa

綜上，工況②下中腹板的配筋也滿足規(guī)范中強度要求。

裂縫驗算：

工況②下Wf≈0.12 mm<[Wf]=0.25 mm。

因此，如果施工時能夠嚴格依照施工順序進行，及時回填框架橋的雙孔土方，該橋涵中腹板處不會產(chǎn)生較大裂縫。

3 橫撐修補裂縫方案

3.1 建立橫撐模型

針對工況①中出現(xiàn)的問題，現(xiàn)采用在框架橋單側(cè)加入混凝土橫撐的方案，具體布置如圖6。

圖6 橫撐有限元模型

3.2 橫撐模型數(shù)值計算結(jié)果分析

工況②為框架橋出現(xiàn)裂縫后最不利的荷載工況，因此需要驗證橫撐修補法在工況②下，是否滿足規(guī)范中關(guān)于強度和裂縫寬度的要求。首先，得到橫撐模型在工況②下的內(nèi)力值，如圖7～圖8所示。

圖7 荷載組合②下彎矩

圖8 荷載組合②下應(yīng)力

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

(1)強度驗算

在橫撐應(yīng)力集中處，σc=2.07 MPa<[σc]，σs=33.5 MPa<[σs]，強度滿足要求。

(2)裂縫驗算

工況①下Wf≈0.23 mm<[Wf]=0.25 mm。

同樣滿足裂縫要求。

4 結(jié)束語

在框架橋的建造和使用過程中，有關(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)致框架橋垮塌的報道屢見不鮮。混凝土開裂成為經(jīng)常困擾著工程技術(shù)人員的技術(shù)問題[7-9]。混凝土裂縫開裂的原因復(fù)雜，包括混凝土內(nèi)部因素和外界因素對混凝土的影響等。針對鐵路雙孔箱形框架橋的工程實例，分析中腹板處產(chǎn)生較大裂縫的原因。結(jié)果表明，施工過程中沒有及時進行雙孔回填是裂縫產(chǎn)生的主要原因，提出了如何有效控制此類結(jié)構(gòu)已開裂裂縫的修補措施。驗算結(jié)果表明，橫撐修補法可以有效控制框架橋中腹板位置處的裂縫，達到恢復(fù)框架橋中墻耐久性和使用性的目的。

[1] 徐懷中.橋梁混凝土裂縫分析與防治[J].工程科學(xué)，2010(1)：117-118

[2] 李敏敏.鐵路橋梁混凝土裂縫分析與整治對策[J].上海鐵道科技，2005(2)：34-36

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[7] 袁剛.論框架橋混凝土的施工溫度與裂縫[J].工程設(shè)計與研究2007(2):45-48

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[9] 李志華.如何控制橋梁工程中大體積混凝土裂縫[J].鐵道勘察,2010(5)：85-86

CauseAnalysisandRepairMethodsfortheCracksofboxFrameBridgewithDoubleHoles

LIANG Jin

2014-09-02

梁 勁(1984—)，2013年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)博士，工程師。

1672-7479(2014)06-0107-04

U448.38

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