多跨连续预应力空心箱梁拱桥Y型拱脚混凝土裂纹分析及预防措施.docx

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Summary：多跨连续预应力空心箱梁拱桥桥型新颖，结构形式独特，构造复杂，主桥混凝土方量大，施工环节多，工艺复杂而且要求高。从混凝土浇筑到成桥，主桥经历多次体系转换，为了预防尤为重要的“Y”型箱梁拱脚部位混凝土裂纹的产生，在主桥施工前必须通过各种工况分析及要因鉴别，制定有效措施，并在施工时必须进行的严格的实时监控和工艺上控制。结合江西省南昌市港口大道重点控制性工程儒乐湖大桥-多跨连续预应力拱桥施工，浅谈多跨连续拱板梁桥“Y”型箱梁拱脚混凝土开裂的预防及控制技术，可提供借鉴。
Keys：多跨连续预应力空心箱梁；拱桥；“Y”型拱脚；裂纹；分析及预防措施
内容：
一、工程概述
儒乐湖大桥设计为连续空心箱型拱梁桥，采用9孔空心拱形预应力钢筋混凝土箱梁设计，桥型新颖。本桥纵桥向为整体一联，桥梁全长410m，宽85m，横桥向分为4幅，4幅独立连续拱梁平行布置，，间距30cm。本桥共计9个拱跨，跨径布置为25+40+50+3×60+50+40+25m，%，横坡2％，～（,），翼缘板宽度为2m，梁体采用C50混凝土浇筑。桥址施工范围后期规划为人工湖区，成桥后为跨越湖区的交通要道兼顾景观，单幅箱梁整体三维效果图如下图所示：
单幅箱梁整体三维图
桥梁底部与墩柱支撑部位“Y”型结构作为连续梁的支点，是本桥施工的难点，钢筋密集、线型要求高、支架搭设难度大、外模拼接因需要贴合其外部变截面曲线增加了工艺复杂性，其实体图如下：
变截面“Y”型梁体结构实体图
根据同种类型桥梁的施工经验，在施工中“Y”型拱梁上部极易开裂，也是本桥施工的重点及防治难点所在。
二、“Y”型结构拱梁混凝土裂纹分析及预防措施
、本桥工艺特点-箱梁混凝土浇筑次序
考虑到“Y”型结构造型奇特，构造复杂，方量大，箱室多的特点，根据桥型特点及现场实际的施工情况，为达到施工过程中方便操作的目的，箱梁采用分三次浇筑的方式浇筑，第一次浇筑至“Y”型模板顶部及梁体箱室底板处：
箱梁混凝土第一次浇筑位置示意图
第二次混凝土浇筑至箱室隔墙下掖角处，第三次浇筑顶板混凝土。
箱梁混凝土第二次浇筑位置示意图
、“Y”型结构拱脚开裂风险分析
施工儒乐湖连续预应力混凝土大桥箱梁前，笔者曾不止一次到正在施做此种桥型（拱桥）或已经施工完毕的施工现场实地考察，经由相关施工技术人员介绍得知此种类型的桥型“Y”型结构拱脚处开裂已成为此种桥型的通病，裂缝通长在“Y”型拱脚顶面，沿拱脚构造表面或连续或间断，深浅不一，如果不能在施工过程中及时的控制，裂缝将对桥梁整体质量及后期使用造成了不同程度的严重影响。为避免本桥在施做过程中在同样的位置出现相同的病害，结合现场实际笔者分析总结了“Y”型拱脚裂缝形成的原因及针对起因应采取的措施：
、在浇筑混凝土时，基底不均匀沉降或支架体系不能承受巨大的压力变形过大造成模板支撑体系形变，造成在浇筑过程中“Y”型拱脚上部初凝时便被拉裂。故必须保证基底处理符合地基承载力的要求，通过反复核算支架及支撑体系，确保支架选型、施做过程稳定可靠，绝对保证主桥支架支撑及模板体系万无一失。
、在桥梁施工过程中，混凝土施工采用上述分段落的竖向分层的浇筑顺序。以本桥一联为例，三次混凝土浇筑方量均是1000m３左右、每次混凝土浇筑都是大方量，特别是第一次混凝土浇筑，“Y”字型的托架模筑成形并达到强度后，后续两次混凝土的浇筑重力及向两侧水平推力均由第一次浇筑成型的“Y”字型混凝土托架及其下方的支架体系承受，巨大的压应力通过拱肋专递至“Y”型底部位置时会转化为拱脚上部边缘位置的拉应力，拱脚上部边缘位置为混凝土浇筑二次乃至三次加载时拉应力的集中作用区域，超过混凝土表面本身的拉应力极限值，混凝土表面就会被拉裂，形成裂缝。此项为“Y”型拱脚开裂主要原因，需对拱脚分阶段、分工况进行受力分析，采取有效措施（施工中采用临时应力扣锁），加大安全储备，预防开裂。
、由于本桥混凝土方量很大，根据现场实际施工条件，分三次浇筑，每次浇筑都是大体积混凝土施工，大体积混凝土的水化热本身就是温度裂缝的温床。故在施工过程中必须采取降温措施（施工中采用预埋冷却管及在浇筑完成后进行水冷的方式）并加强混凝土养生，防止桥体混凝土产生温度裂缝。
、采用有限元分析软件对整体支架体系进行稳定性复核计算和“Y”型拱脚各阶段施工进行工况分析
、建立Midas有限元整体支架模型，并按施工中的最不利情况对其施加荷载。
3*60m跨支架荷载竖向位移图
经过模拟计算，在荷载的作用下，，较大的位移主要最上面几层，尤其是最上层水平杆上部悬臂段，此处位移值较大在下面的纵向位移分析中也比较突出。到中间层及下层支架位移明显减小，符合支架结构的变形特点与实测值也较为吻合，支架竖向变形满足要求。
3*60m跨支架荷载纵向位移图
在荷载的作用下，支架的纵向位移最大为10mm，出现在最上层水平杆上部悬臂段，-5mm左右，下层位移明显减小，普遍小于1mm。计算的位移结果符合支架结构的变形特点，实测值也较为吻合，支架纵向变形满足要求。由以上可知支架稳定性满足要求。
、对“Y”型结构拱脚部位根据工况建立模型进行模拟计算
“Y”型拱脚上部边缘位置有无明确的开裂预兆，根据前期施工方案确定的浇筑顺序、每次浇筑的厚度及部位结合混凝土自
身强度增长曲线，全过程模拟还原“Y”型拱部施工工况并采用MIDAS软件进行结构受力分析。
支架上浇筑拱肋               浇筑箱梁底板和腹板              浇筑箱梁顶板
工况1： 拱肋浇筑（第一次浇筑）
竖向变形图（最大变形3毫米）
应力分布图（ Mpa）
工况2：箱梁底板、腹板浇筑（第二次浇筑）
竖向变形图（拱肋最大变形值均为4毫米）
应力分布图（）
工况3：箱梁顶板浇筑（第三次浇筑）
竖向变形图（拱肋最大变形值变为5毫米）
应力分布图（ Mpa，）
按施工过程计算模拟结果来看，第三次浇筑完成时， Mpa，，，不同部位计算拉应力均小于理论值，从数据分析比较上来看结论为不会开裂。但结合方案中混凝土主梁浇筑高度及顺序，考虑到第一次拱部混凝土浇筑成型并强度达到设计要求后才能浇筑第二次混凝土，当“Y”型区域主梁混凝土承受第二次乃至第三次压应力时拱肋处会产生较强的收缩约束力，会导致”Y”型区域箱梁局部出现较大的收缩拉应力，再考虑到支架、模板实际安装过程中等出现的偏差因素，不均匀变形再所难免，故潜在的开裂风险和可能性不能排除。
、“Y”型结构拱脚混凝土开裂预防措施及分析
、对“Y”型拱脚结构增设临时预应力扣锁
为规避拱脚部位混凝土开裂风险，减弱支架、模板安装过程中支承体系引起的不均匀沉降带来的影响，拟在拱梁部位设置一定数量的反向扣索用以抵消局部梁体应力提高安全储备，预防“Y”型拱脚结构产生裂缝。预应力扣锁布设在第一次浇筑完成“Y”型拱脚箱室底板1/2处，扣锁对称布置在每个箱室内，横桥
向4个箱室，每个箱室均衡布置2股，共8股扣锁，扣索采用7-，每根扣索的张拉应力为558 Mpa，。
扣索立面布置图
扣索平面布置图
从增加预应力锁扣后模拟计算结果来看，第一次浇筑后“Y”，无需张拉扣索（），在第一次浇筑的混凝土自身强度达到设计要求后，第二次混凝土浇筑之前，在拱梁处张拉扣索，以减小因混凝土内部应力及支架不均匀受力变形导致的拱脚部位混凝土开裂的风险。
、“芯”型拱脚增加防裂锁扣后的工况分析
 
  浇筑拱肋                  浇筑箱梁底板和腹板浇筑箱梁顶板
工况1：拱肋上张拉临时扣索
竖向变形图（）
应力图（）
工况2：箱梁底板、腹板浇筑（第二次浇筑）
竖向变形图（）
应力图（）
工况3：箱梁顶板浇筑（第三次浇筑）
竖向变形图（拱肋最大变形值变为4毫米）
应力图（ Mpa）
三、结束语
南昌市港口大道儒乐湖大桥-多跨连续预应力拱桥施工采用横向分层、纵向分段的混凝土浇筑方案，在施工前期通过使用大型有限元软件模拟计算了各种施工工况对主桥“Y”型拱脚裂缝处存在开裂的风险做出了有效评估。技术人员在确保主桥支架稳定性的同时，在施工容易产生裂纹的“Y”型拱脚位置增加了临时预应力防裂预应力锁扣。通过现场实际操作与验证在增加拱脚防裂锁扣之后，箱梁的第二次及第三次的混凝土浇筑后应力应变数据采集表明，拱肋的竖向最大形变值及“Y”型拱脚顶缘最大拉应力值大大降低，效果明显，通过对成桥后“Y”型拱脚处混凝土的连续观察，并未出现开裂迹象，收到了良好的效果。本