淺談橋梁工程預應力混凝土裂縫控制

周 昊

(中鐵四局第五工程有限公司)

1 橋梁預應力混凝土應用現(xiàn)狀

應力技術(shù)從 20世紀 20年代進入土木工程領(lǐng)域的實際應用至今,已經(jīng)走過了 80多年的歷程。我國的預應力混凝土橋梁在 20世紀 50年代才剛開始研究,第一片預應力混凝土在豐臺橋梁廠研究試制,并于 1956年首先在東隴海線新沂河鐵路橋上建成了跨度為 23.9m的預應力混凝土簡支梁,邁出了重要的一步。1984年建成了主跨 111m的湖北沙洋漢江橋和廣東順德容奇橋(3孔 90m),前者用掛籃懸澆施工,后者則用 5 000 kN浮吊預制組拼而成,開創(chuàng)了 20世紀 80年代預應力混凝土連續(xù)梁橋的先河。隨后,1985年又建成了哈爾濱松花江大橋(7孔 90m),1986年又建成了主跨達 120m的湖南常德沉水橋。1988年,廣東省同時建成了采用節(jié)段預制懸臂拼裝施工的七孔 110m江門外海橋,和主跨達 180m的預應力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋—番禺洛溪橋。

2 預應力混凝土連續(xù)梁橋主要施工方法

2.1 整體現(xiàn)澆施工法

整體現(xiàn)澆施工通常一聯(lián)為整體澆筑混凝土而成。

整體現(xiàn)澆施工法的特點如下。

(1)橋梁的整體性好,施工平穩(wěn)、可靠、不需大型起重設(shè)備;

(2)橋梁施工過程中無體系轉(zhuǎn)換,不產(chǎn)生恒載徐變二次力,施工方便;

(3)預應力混凝土連續(xù)梁橋可以采用預應力體系,使結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡化,方便施工;

(4)需要使用大量施工支架,跨河橋梁搭設(shè)支架影響河道的通航與排洪,施工期間支架可能受到洪水和漂流物的威脅;

(5)施工工期長、費用高,需要有較大的施工場地,施工管理復雜。

2.2 預制簡支一連續(xù)施工法

預制簡支一連續(xù)施工又稱先簡支后連續(xù)施工法。其程序為:預制簡支梁,分片進行預制。

安裝,預制時按預制簡支梁的受力狀態(tài)進行第一次預應力筋(正彎矩)的張拉錨固,安裝完成后經(jīng)調(diào)整位置(橫橋向及標高),澆筑墩頂接頭處混凝土,更換支座,進行第二次預應力筋(負彎矩筋)的張拉錨固,進而完成一聯(lián)預應力混凝土連續(xù)梁的施工。

2.3 懸臂施工法

用懸臂施工法建造預應力混凝土連續(xù)梁橋,分懸澆和懸拼兩種,其施工程序和特點與懸臂施工法建造預應力混凝土懸臂橋基本相同。在懸臂或拼澆過程中,要采取使上、下部結(jié)構(gòu)臨時固結(jié)的措施,待懸臂施工結(jié)束、相鄰懸臂端連接成

整體并張拉了承受正彎矩的下緣預應力筋后,再卸除固結(jié)措施,使施工中的懸臂體系轉(zhuǎn)換成連續(xù)體系。

2.4 頂推施工法

頂推施工法是沿橋縱軸方向的橋臺后開辟預制場地,分節(jié)段預制混凝土梁體,并用縱向預應力筋連成整體,然后通過水平液壓千斤頂施力,借助不銹鋼板與聚四氟乙烯模壓板特制的滑動裝置將梁逐段向?qū)Π俄斶M,就位后落架,更換正式支座完成橋梁施工的方法。

2.5 移動式模架逐孔施工法

它的基本構(gòu)思是:將機械化的支架和模板支承(或懸吊)在長度稍大于兩跨、前端作導梁用的承載梁上,然后在橋跨內(nèi)進行現(xiàn)澆施工,待混凝土達到一定強度后脫模,并將整孔模架沿導梁前移至下一澆筑橋孔。如此有節(jié)奏地逐孔推進直至全橋施工完畢。

3 橋梁工程預應力混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

3.1 斜裂縫

斜裂縫也稱主拉應力裂縫,是預應力混凝土梁橋中出現(xiàn)最多的一種裂縫。

產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)設(shè)計原因:在預應力混凝土橋梁的設(shè)計中,一般對于正截面強度是重視的,而對于斜截面強度或者主拉應力,有時卻重視不夠,或者遺漏了最不利截面,或者缺乏最不利組合的工況。

(2)施工原因:由于模板安設(shè)粗糙,澆筑時走動,使腹板減薄,有的工地上實際腹板厚度比設(shè)計少 2 cm,甚至減小4 cm,這種情況下,必然會導致出現(xiàn)斜裂縫。

3.2 垂直裂縫

在預應力混凝土橋梁中,受彎的垂直裂縫比較少見,但有時還能見到。

產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)設(shè)計原因:設(shè)計中對于梁橋的正截面強度和應力,一般都很注意,但有時也會出現(xiàn)疏忽,導致實際有效預應力不足而出現(xiàn)垂直裂縫。

(2)施工原因:在梁的懸臂澆筑中,既不預壓重,又不調(diào)整掛籃掛索,澆筑順序由里向外,由于掛籃下?lián)?使在與上一梁段連接的工作縫處出現(xiàn)垂直裂縫,最大的甚至寬達3mm,不得不進行壓漿處理,并導致出現(xiàn)斜裂縫。

3.3 縱向裂縫

縱向裂縫是預應力梁橋中出現(xiàn)也較多的一種裂縫,僅次于主拉應力斜裂縫。縱向裂縫較多地出現(xiàn)在箱梁的頂、底板上,順橋向,有的縱縫連續(xù)貫通較長,有的則不連續(xù)且較短。產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)未采用橫向預應力;(2)順橋向的永存預應力過大;(3)溫差應力估計不足。

3.4 底板混凝土保護層劈裂

表現(xiàn)為底板預應力束下的混凝土保護層劈裂,有時可達相當寬的范圍。

產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)設(shè)計原因:有的設(shè)計人員往往片面從充分發(fā)揮預應力束的作用出發(fā),盲目減少其保護層,這種情況下,容易產(chǎn)生底板劈裂,尤其在變截面梁底板順橋向呈彎曲的情況下。

(2)施工原因:對已設(shè)置的波紋管道保護不夠,受到局部重載,形成折曲,張拉時引起向下的分力,這也是底板劈裂原因之一,尤其在過早張拉,混凝土強度還未足夠時。

4 橋梁工程預應力混凝土裂縫控制措施

4.1 斜裂縫控制措施

在近年來,一些運營中的預應力連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)了主拉應力方向的斜裂縫,應該引起注意。一般來說,由于連續(xù)的混凝土結(jié)構(gòu)存在次內(nèi)力的再分配問題,施工過程中的影響因素又非常之多,在裂縫出現(xiàn)后要準確找出原因比較困難,所以,在設(shè)計時首先應該合理地確定中、邊跨比,注重跨度 1/4處的剪應力和主拉應力檢算,適當增加箍筋配置,對連續(xù)結(jié)構(gòu)的豎向預應力筋的永存預應力的核算,應充分考慮施工控制精度和工藝水平以及各項預應力損失,做到客觀合理。

4.2 垂直裂縫控制措施

縱向裂縫一般來說是受力裂縫,所以,首先在設(shè)計時應合理擬定截面,確定適宜的預應力度,對于較長的跨度及橋面較寬的情況,應盡量設(shè)橫向預應力,此外,對錨下局部應力應給予足夠的重視,對超常規(guī)設(shè)計必要時應配合做錨下局部應力試驗,以免混凝土受力過大。此外,對易發(fā)生堿骨料反應的地區(qū),應重視骨料的選用以及施工用水的化驗,避免堿骨料反應發(fā)生。對于因截面或預應力度設(shè)計不合理導致的裂縫,應找出應力的超過幅度,進行分析,如應力超出不多,可用改性環(huán)氧混凝土將裂縫澆搗封閉,否則,應采用加固截面或加體外預應力等措施處理。若開裂非常嚴重,必要時就應廢掉重做。

4.3 橫向裂縫控制措施

對于在運營期間因徐變產(chǎn)生的橫向裂縫,一般應權(quán)衡活載上橋后的下翼緣的受力和徐變基本結(jié)束后的上翼緣在恒載單獨作用下的受力情況,以及梁的豎向剛度要求,在可能的情況下減小預應力度。對于一般的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋,在設(shè)計必要時應做徐變試驗,或預留張拉孔道,以便日后出現(xiàn)開裂時對梁的受力進行調(diào)整,使裂縫閉合。對于在頂推法施工過程中開裂、頂推結(jié)束后閉合的裂縫,仍應采用環(huán)氧樹脂予以封閉,以免在日后的運營過程中因水汽或有害氣體進入,腐蝕鋼筋和高強鋼束,影響結(jié)構(gòu)的安全及耐久性。對于在運營中發(fā)現(xiàn)的橫向裂縫,一般應采用改性環(huán)氧樹脂封閉,或在梁頂、底面用碳纖維布粘貼加固的方法處理。

4.4 龜裂的預防和處治對策

由于收縮裂縫應注意合理配置適當?shù)臉?gòu)造鋼筋,盡可能降低水灰比,并在混凝土澆筑后及時覆蓋澆水養(yǎng)護,在干燥的環(huán)境下更應注意加強養(yǎng)生。

由于因溫度變化過大造成的裂縫,首先應選擇低水化熱的水泥,合理配置構(gòu)造鋼筋;其次是對采用蒸汽養(yǎng)生的粱,應嚴格控制開始時的升溫和結(jié)束時的降溫時間,按規(guī)定使粱體混凝土緩緩升、降溫;在寒冷地區(qū)澆筑梁體混凝土時,要采取切實可行的保溫、隔熱措施等。有時,新舊混凝土接逢處,沿接逢面中部的垂直方向,由于新混凝土結(jié)硬的水化熱與已經(jīng)結(jié)硬、冷卻的舊混凝土之間存在溫差;同時由于舊混凝土齡期較長,收縮大部分完成,而新澆混凝土結(jié)硬時收縮受阻等原因也會引起混凝土開裂,這種情況應該盡量避免,若必須如此,則應采取增加構(gòu)造布筋和其他適當?shù)臏p小溫差的措施。

由于龜裂一般深入混凝土的深度不大,裂縫寬度一般也比較小,除對結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀可能有影響外,不會對結(jié)構(gòu)當前的受力造成影響,故可用外部涂刷或其他的封閉方法處理,以免減小鋼筋的保護層厚度、使鋼筋容易遭受腐蝕。

5 結(jié) 論

預應力混凝土箱梁裂縫的成因比較復雜,往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。歸結(jié)起來總的來說有以下三個主要原因:(1)計算理論的不完善,如溫度影響(包括水化熱)、剪力滯及三向應力的計算等;(2)設(shè)計勘測和模型計算與實際情況相差較大,如基礎(chǔ)的不均勻沉降和溫度應力等;(3)施工不規(guī)范,如混凝土配合比不合理、鋼筋位置偏差及預應力損失等問題。綜上所述,只要把好設(shè)計、監(jiān)理及施工各方面的技術(shù)和管理關(guān),預應力混凝土連續(xù)箱梁的裂縫問題是可以得到有效的控制和消除的。

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