大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥的抗裂性分析
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摘要
针对目前大跨度预应力混凝土桥梁普遍出现裂缝的问题，本文以广东省磨刀门大桥为工程背景，研究了影响大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥抗裂性能的主要因素。主要研究内容体现在以下几个方面：
(1)通过大量文献资料的调研，提出了对大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥的抗裂性分析关键在于结构的空间应力状态的观点，要对结构进行基于空间应力状态的抗裂性分析，特别是结构局部空间应力状态的分析。
(2)对结构进行空间整体抗裂性能分析，分别计算了永久荷载(恒载、预应力)+各单项因素(收缩徐变、温度影响力、变位影响力及活载)作用下结构的应力响应，指出了采用平面杆系计算软件的设计方法在分析箱梁空间应力方面存在的不足，得出了对结构空间受力影响最大的因素为预应力效应、其次为局部温差效应的结论。
(3)针对整体空间抗裂性分析中发现的中跨跨中合龙段底板抗裂性能不能满足的问题，进行了局部的抗裂性分析，通过计算分析发现了底板纵向预应力筋配束不合理是导致底板主拉应力值超限的主要原因。并通过比较研究提出了优化结构受力的建议方案。
根据本文的计算分析，可知对大跨度预应力混凝土箱梁桥进行基于空间应力状态的抗裂性分析是很有必要的。通过结构局部空间应力分析，在大跨度预应力混凝土箱梁桥的设计中对底板预应力配置、底板线形以及底板防崩钢筋进行更为合理的设计，能更好的避免底板开裂现象的发生。
Aiming at the crack phenomena in long-span prestressed concrete continuous box girder bridges at present, on the background of Modaomen Bridge in Guangdong province, the main factors effectting the capability against cracking for long-span PC box girder bridges are studied and discussed in this thesis. The main contents are described as follows:
(1) Through looking over lots of literatures, the standpoint is brought forward in this thesis that the key on analysis of the capability against cracking for long-span PC box girder bridges is three-dimensional stress. It is necessary to study on the analysis of the capability against cracking based on three-dimensional stress, especially on the local analysis.
(2) In the three-dimensional finite analysis of the whole model, the stress response of the structure under the permanent load (dead load + prestressing force) add each single factor (shrinkage, creep, temperature difference, foundation displacement and live load) is analysed, and the shortage of the plane software is pointed out, the conclusion is made that prestressed reinforcement is the most important factor and local temperature difference takes the second place.
(3) Aiming at the deficiency of capability against cracking in bottom deck of span center in midspan, the local analysis is applied. And the conclusion is considered to be that overlarge prestressing reinforcement in bottom deck is the main factor resulting in the ultralimit of principal tensile stress .The optimization case is proposed.
According to the calculation and analysis in the whole thesis, it is necessary to analyse the capability against cracking based on three-dimensional stress. And through the local analysis , the more reasonable design precepts of the prestressing force , line shape and reinforcing steel against break-up in the bottom deck of long-span PC box girder bridges can be obtained, then the crack development of the bottom deck can be avoided.
(1)通过大量文献资料的调研，提出了对大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥的抗裂性分析关键在于结构的空间应力状态的观点，要对结构进行基于空间应力状态的抗裂性分析，特别是结构局部空间应力状态的分析。
(2)对结构进行空间整体抗裂性能分析，分别计算了永久荷载(恒载、预应力)+各单项因素(收缩徐变、温度影响力、变位影响力及活载)作用下结构的应力响应，指出了采用平面杆系计算软件的设计方法在分析箱梁空间应力方面存在的不足，得出了对结构空间受力影响最大的因素为预应力效应、其次为局部温差效应的结论。
(3)针对整体空间抗裂性分析中发现的中跨跨中合龙段底板抗裂性能不能满足的问题，进行了局部的抗裂性分析，通过计算分析发现了底板纵向预应力筋配束不合理是导致底板主拉应力值超限的主要原因。并通过比较研究提出了优化结构受力的建议方案。
根据本文的计算分析，可知对大跨度预应力混凝土箱梁桥进行基于空间应力状态的抗裂性分析是很有必要的。通过结构局部空间应力分析，在大跨度预应力混凝土箱梁桥的设计中对底板预应力配置、底板线形以及底板防崩钢筋进行更为合理的设计，能更好的避免底板开裂现象的发生。
Aiming at the crack phenomena in long-span prestressed concrete continuous box girder bridges at present, on the background of Modaomen Bridge in Guangdong province, the main factors effectting the capability against cracking for long-span PC box girder bridges are studied and discussed in this thesis. The main contents are described as follows:
(1) Through looking over lots of literatures, the standpoint is brought forward in this thesis that the key on analysis of the capability against cracking for long-span PC box girder bridges is three-dimensional stress. It is necessary to study on the analysis of the capability against cracking based on three-dimensional stress, especially on the local analysis.
(2) In the three-dimensional finite analysis of the whole model, the stress response of the structure under the permanent load (dead load + prestressing force) add each single factor (shrinkage, creep, temperature difference, foundation displacement and live load) is analysed, and the shortage of the plane software is pointed out, the conclusion is made that prestressed reinforcement is the most important factor and local temperature difference takes the second place.
(3) Aiming at the deficiency of capability against cracking in bottom deck of span center in midspan, the local analysis is applied. And the conclusion is considered to be that overlarge prestressing reinforcement in bottom deck is the main factor resulting in the ultralimit of principal tensile stress .The optimization case is proposed.
According to the calculation and analysis in the whole thesis, it is necessary to analyse the capability against cracking based on three-dimensional stress. And through the local analysis , the more reasonable design precepts of the prestressing force , line shape and reinforcing steel against break-up in the bottom deck of long-span PC box girder bridges can be obtained, then the crack development of the bottom deck can be avoided.
引文
[1] 连续箱形梁桥裂缝调查分析及防治措施的研究．浙江交通科技，2000，第4期：51～58
[2] 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会，混凝土质量专业委员会和高强与高性能混凝土专业委员会．钢筋混凝土结构裂缝控制指南．北京：化学工业出版社、安全科学与工程出版中心出版发行，2004：1～25
[3] 郭金琼．箱形梁设计理论．北京：人民交通出版社，1991：2～55
[4] 卢树圣．现代预应力混凝土理论与应用．北京：中国铁道出版社，2000．134～147
[5] 吴先树．大跨径预应力混凝土箱梁受力裂缝分析：[硕士学位论文]．江苏：东南大学，2000
[6] 马保林．高墩大跨度连续刚构桥．北京：人民交通出版社，2001．19～21
[7] 王智远．连续弯箱梁的裂缝控制．中国公路建设市场，2004，第9期：62～65
[8] 楼庄鸿．论预应力混凝土梁桥的裂缝．公路交通科技，2000，第6期：49～52
[9] 朱益民，尹晓明，赵研峰．某V型墩连续刚构箱梁桥底板裂缝分析．云南交通科技，2003，Vol．19(4)：22～24
[10] 周军生，楼庄鸿．大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势．中国公路学报，2000，Vol．13(1)：31～37
[11] 楼庄鸿．国内外大跨径桥梁的现状和发展趋势(续三)．中南公路工程，1994，第1期：62～66
[12] 蒋新利，徐洪润．浅谈桥梁混凝土的裂缝及预防措施．辽宁交通科技，2005，第1期：56～58
[13] 彭天明．预应力混凝土梁斜截面抗裂性和斜向主压应力．港工技术，1994，第2期：26～35
[14] 李江山．预应力连续箱梁设计应注意的问题．公路，2002，第2期：4～7
[15] 施颖，郑建群．从设计层面探讨预应力砼连续箱梁桥裂缝控制．重庆交通学院学报，2005，Vol．24(4)：13～18
[16] 刘山洪，钱永久．大跨PC箱梁桥腹板裂缝的控制研究．重庆交通学院学报，2005，Vol．24(4)：19～22
[17] 芮勇敢．混凝土箱形梁非结构性裂缝的探讨．铁道建筑，2004，第2期：19～21
[18] 詹建辉，陈卉．特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析．中外公路，2005，Vol．25(1)：56～58
[19] 滕燕宁，齐武生．箱梁混凝土裂缝成因分析与处置．江苏交通科技，2004，第2期：41～43
[20] 彭卫，张新军，朱汉华．箱形梁桥的空间有限元分析．工程设计CAD与智能建筑，2002(6)：46～49
[21] 郑捷奋，郭锋．预应力钢筋混凝土连续箱形梁桥张拉应力分析．国外桥梁，2001，第1期：74～76
[22] 陶海，林岩松，常英．预应力混凝土箱梁桥的裂缝成因及分析方法．森林工程，2004，Vol．20(6)：49～50
[23] 李方东．预应力砼连续箱梁桥常见裂缝成因分析．公路与汽运，2004，第3期：81～83
[24] 李运魏，张宏．预应力砼箱梁裂缝分析与防治．公路与汽运，2004，第3期：83～84
[25] 徐庆华，黎平原．预应力箱梁施工裂缝的成因与防治．建筑技术开发，2004，Vol．31(7)：84，103
[26] 陈梅．人跨径预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂缝研究：[硕士学位论文]．陕西：长安大学，2001
[27] 刘明辉．预应力混凝土箱梁桥的空间非线性分析研究：[硕士学位论文]．湖南：长沙理工大学，2004
[28] M. Ala Saadeghvaziri, M.ASCE and Rambod Hadidi, S.M.ASCE. Transverse Cracking of Concrete Bridge Decks:Effects of Design Factors. JOURNAL OF BRIDGE ENGINEERING (?) ASCE/SEPTEMBER/OCTOBER, 2005:511～519
[29] 范立础．桥梁工程(上册)．北京：人民交通出版社，1987：306～327
[30] 项海帆．高等桥梁结构理论．北京：人民交通出版社，2001：100～160
[31] 孙训方等．材料力学(下册)．北京：高等教育出版社，1994：1～69
[32] 王新敏，王秀伟．某连续刚构桥施工阶段开裂原因的空间分析．铁道标准设计，2001，Vol．21(4)：20～21
[33] 唐健慧．预应力混凝土连续刚构桥梁有关问题的探讨．中国建设信息，2005，第5期：55～57
[34] 伍波，杨家玉，石永燕等．大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策．公路交通技术，2005，增刊：109～111
[35] 钟新谷．预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析、防治及钢箱—混凝土组合梁研究：[博士后士学位论文]．湖南：湖南大学，2002
[36] 龙佩桓．大跨度预应力混凝土箱梁桥的有限元数值分析：[博士学位论文]．上海：同济大学，2005
[37] 高金．预应力对箱梁抗剪承载能力的影响分析：[硕士学位论文]．上海，同济大学，2005
[38] 范立础．预应力混凝土连续梁桥．北京：人民交通出版社，1988：1～55
[39] 刘来君，陈跃，段永灿．弯曲应力引起的预应力混凝土箱梁开裂．长安大学学报(自然科学版)，2003，Vol．23(5)：43～45
[40] 朱汉华，潘明军，钟新谷等．预应力混凝土连续箱梁桥裂缝成因及设计改进．第一届全国公路科技创新高层论坛论文集，2002，公路设计与施工卷：633～640
[41] 贾素红．预应力混凝士箱形梁的温度变形分析．四川建筑，2003，Vol．23(6)：61～63
[42] 吕志涛，刘钊，孟少平．浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展．桥梁建设，2001，第1期：52～56
[43] J.E.Bolander Jr., B.D.Le. Modeling Crack development in reinforced concrete structures under service loading. Construction and Building Materials, 1999, Vol.13:23～31
[44] Andrzej S.Nowak, Sangjin Kim, Pawel R.Stankiewicz. Analysis and diagnostic testing of a bridge. Computers and Structures, 2000, Vol.77:91～100
[45] Zihai Shi, Masaaki Nakano. Three-dimensional finite element analysis on crack behaviors of RC cantilever decks. Construction and Building Materials, 1999, Vol.13:33～47
[46] 施颖，宣纪明，马春亭．人跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计．桥梁建设，2003，第4期：41～43，50
[47] 施颖，朱汉华，徐建铭等．浅谈预应力混凝十连续箱梁桥设计．华东公路，2002，第5期：32～35
[48] 刘来君，张宏光．温度应力引起的预应力混凝土箱形梁开裂分析．西安公路交通大学学报，1999，Vol．19(4)：39～41
[49] 蒋冬蕾，应国刚．预应力混凝士箱梁主要裂缝成因和防治措施的探讨．宁波高等专科学校学报，2004，Vol．16(2)：45～47
[50] 张方．大型混凝土箱梁裂缝研究：[硕士学位论文]．四川：西南交通大学，2004
[51] 王铁梦．工程结构裂缝控制．北京：中国建筑工业出版社，1997：1～89
[52] 汪劲丰，项贻强，徐兴．人跨度混凝土桥梁预应力空间效应分析．浙江入学学报(工学版)，2005，Vol．39(1)：154～159
[53] 交通部公路规划设计院．JTJ023-85．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，2000
[54] 交通部公路规划设计院．JTJ D62-2004．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，2004
[55] 交通部公路规划设计院．JTJ D60-2004．公路桥涵设计通用规范．北京：人民交通出版社，2004
[56] 叶先磊，史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例．北京：清华出版社，2003．1～114
[57] 冯鹏程，吴游宇，杨耀铨等．连续刚构桥底板崩裂事故的评析．世界桥梁，2006，第1期：66～69
[2] 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会，混凝土质量专业委员会和高强与高性能混凝土专业委员会．钢筋混凝土结构裂缝控制指南．北京：化学工业出版社、安全科学与工程出版中心出版发行，2004：1～25
[3] 郭金琼．箱形梁设计理论．北京：人民交通出版社，1991：2～55
[4] 卢树圣．现代预应力混凝土理论与应用．北京：中国铁道出版社，2000．134～147
[5] 吴先树．大跨径预应力混凝土箱梁受力裂缝分析：[硕士学位论文]．江苏：东南大学，2000
[6] 马保林．高墩大跨度连续刚构桥．北京：人民交通出版社，2001．19～21
[7] 王智远．连续弯箱梁的裂缝控制．中国公路建设市场，2004，第9期：62～65
[8] 楼庄鸿．论预应力混凝土梁桥的裂缝．公路交通科技，2000，第6期：49～52
[9] 朱益民，尹晓明，赵研峰．某V型墩连续刚构箱梁桥底板裂缝分析．云南交通科技，2003，Vol．19(4)：22～24
[10] 周军生，楼庄鸿．大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势．中国公路学报，2000，Vol．13(1)：31～37
[11] 楼庄鸿．国内外大跨径桥梁的现状和发展趋势(续三)．中南公路工程，1994，第1期：62～66
[12] 蒋新利，徐洪润．浅谈桥梁混凝土的裂缝及预防措施．辽宁交通科技，2005，第1期：56～58
[13] 彭天明．预应力混凝土梁斜截面抗裂性和斜向主压应力．港工技术，1994，第2期：26～35
[14] 李江山．预应力连续箱梁设计应注意的问题．公路，2002，第2期：4～7
[15] 施颖，郑建群．从设计层面探讨预应力砼连续箱梁桥裂缝控制．重庆交通学院学报，2005，Vol．24(4)：13～18
[16] 刘山洪，钱永久．大跨PC箱梁桥腹板裂缝的控制研究．重庆交通学院学报，2005，Vol．24(4)：19～22
[17] 芮勇敢．混凝土箱形梁非结构性裂缝的探讨．铁道建筑，2004，第2期：19～21
[18] 詹建辉，陈卉．特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析．中外公路，2005，Vol．25(1)：56～58
[19] 滕燕宁，齐武生．箱梁混凝土裂缝成因分析与处置．江苏交通科技，2004，第2期：41～43
[20] 彭卫，张新军，朱汉华．箱形梁桥的空间有限元分析．工程设计CAD与智能建筑，2002(6)：46～49
[21] 郑捷奋，郭锋．预应力钢筋混凝土连续箱形梁桥张拉应力分析．国外桥梁，2001，第1期：74～76
[22] 陶海，林岩松，常英．预应力混凝土箱梁桥的裂缝成因及分析方法．森林工程，2004，Vol．20(6)：49～50
[23] 李方东．预应力砼连续箱梁桥常见裂缝成因分析．公路与汽运，2004，第3期：81～83
[24] 李运魏，张宏．预应力砼箱梁裂缝分析与防治．公路与汽运，2004，第3期：83～84
[25] 徐庆华，黎平原．预应力箱梁施工裂缝的成因与防治．建筑技术开发，2004，Vol．31(7)：84，103
[26] 陈梅．人跨径预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂缝研究：[硕士学位论文]．陕西：长安大学，2001
[27] 刘明辉．预应力混凝土箱梁桥的空间非线性分析研究：[硕士学位论文]．湖南：长沙理工大学，2004
[28] M. Ala Saadeghvaziri, M.ASCE and Rambod Hadidi, S.M.ASCE. Transverse Cracking of Concrete Bridge Decks:Effects of Design Factors. JOURNAL OF BRIDGE ENGINEERING (?) ASCE/SEPTEMBER/OCTOBER, 2005:511～519
[29] 范立础．桥梁工程(上册)．北京：人民交通出版社，1987：306～327
[30] 项海帆．高等桥梁结构理论．北京：人民交通出版社，2001：100～160
[31] 孙训方等．材料力学(下册)．北京：高等教育出版社，1994：1～69
[32] 王新敏，王秀伟．某连续刚构桥施工阶段开裂原因的空间分析．铁道标准设计，2001，Vol．21(4)：20～21
[33] 唐健慧．预应力混凝土连续刚构桥梁有关问题的探讨．中国建设信息，2005，第5期：55～57
[34] 伍波，杨家玉，石永燕等．大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策．公路交通技术，2005，增刊：109～111
[35] 钟新谷．预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析、防治及钢箱—混凝土组合梁研究：[博士后士学位论文]．湖南：湖南大学，2002
[36] 龙佩桓．大跨度预应力混凝土箱梁桥的有限元数值分析：[博士学位论文]．上海：同济大学，2005
[37] 高金．预应力对箱梁抗剪承载能力的影响分析：[硕士学位论文]．上海，同济大学，2005
[38] 范立础．预应力混凝土连续梁桥．北京：人民交通出版社，1988：1～55
[39] 刘来君，陈跃，段永灿．弯曲应力引起的预应力混凝土箱梁开裂．长安大学学报(自然科学版)，2003，Vol．23(5)：43～45
[40] 朱汉华，潘明军，钟新谷等．预应力混凝土连续箱梁桥裂缝成因及设计改进．第一届全国公路科技创新高层论坛论文集，2002，公路设计与施工卷：633～640
[41] 贾素红．预应力混凝士箱形梁的温度变形分析．四川建筑，2003，Vol．23(6)：61～63
[42] 吕志涛，刘钊，孟少平．浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展．桥梁建设，2001，第1期：52～56
[43] J.E.Bolander Jr., B.D.Le. Modeling Crack development in reinforced concrete structures under service loading. Construction and Building Materials, 1999, Vol.13:23～31
[44] Andrzej S.Nowak, Sangjin Kim, Pawel R.Stankiewicz. Analysis and diagnostic testing of a bridge. Computers and Structures, 2000, Vol.77:91～100
[45] Zihai Shi, Masaaki Nakano. Three-dimensional finite element analysis on crack behaviors of RC cantilever decks. Construction and Building Materials, 1999, Vol.13:33～47
[46] 施颖，宣纪明，马春亭．人跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计．桥梁建设，2003，第4期：41～43，50
[47] 施颖，朱汉华，徐建铭等．浅谈预应力混凝十连续箱梁桥设计．华东公路，2002，第5期：32～35
[48] 刘来君，张宏光．温度应力引起的预应力混凝土箱形梁开裂分析．西安公路交通大学学报，1999，Vol．19(4)：39～41
[49] 蒋冬蕾，应国刚．预应力混凝士箱梁主要裂缝成因和防治措施的探讨．宁波高等专科学校学报，2004，Vol．16(2)：45～47
[50] 张方．大型混凝土箱梁裂缝研究：[硕士学位论文]．四川：西南交通大学，2004
[51] 王铁梦．工程结构裂缝控制．北京：中国建筑工业出版社，1997：1～89
[52] 汪劲丰，项贻强，徐兴．人跨度混凝土桥梁预应力空间效应分析．浙江入学学报(工学版)，2005，Vol．39(1)：154～159
[53] 交通部公路规划设计院．JTJ023-85．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，2000
[54] 交通部公路规划设计院．JTJ D62-2004．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，2004
[55] 交通部公路规划设计院．JTJ D60-2004．公路桥涵设计通用规范．北京：人民交通出版社，2004
[56] 叶先磊，史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例．北京：清华出版社，2003．1～114
[57] 冯鹏程，吴游宇，杨耀铨等．连续刚构桥底板崩裂事故的评析．世界桥梁，2006，第1期：66～69