淺談橋梁工程預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)力技術(shù)從 20世紀(jì) 20年代進(jìn)入土木工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用至今,已經(jīng)走過了 80多年的歷程。我國的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在 20世紀(jì) 50年代才剛開始研究,第一片預(yù)應(yīng)力混凝土在豐臺(tái)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(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)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(yù)制組拼而成,開創(chuàng)了 20世紀(jì) 80年代預(yù)應(yīng)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(dá) 120m的湖南常德沉水橋。1988年,廣東省同時(shí)建成了采用節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝施工的七孔 110m江門外海橋,和主跨達(dá) 180m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋—番禺洛溪橋。

2 預(yù)應(yīng)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(diǎn)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋可以采用預(yù)應(yīng)力體系,使結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)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(zhǎng)、費(fèi)用高,需要有較大的施工場(chǎng)地,施工管理復(fù)雜。

2.2 預(yù)制簡(jiǎn)支一連續(xù)施工法

預(yù)制簡(jiǎn)支一連續(xù)施工又稱先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工法。其程序?yàn)?預(yù)制簡(jiǎn)支梁,分片進(jìn)行預(yù)制。

安裝,預(yù)制時(shí)按預(yù)制簡(jiǎn)支梁的受力狀態(tài)進(jìn)行第一次預(yù)應(yīng)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(biāo)高),澆筑墩頂接頭處混凝土,更換支座,進(jìn)行第二次預(yù)應(yīng)力筋(負(fù)彎矩筋)的張拉錨固,進(jìn)而完成一聯(lián)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(diǎn)與懸臂施工法建造預(yù)應(yīng)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(shí)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(yù)應(yīng)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(tái)后開辟預(yù)制場(chǎng)地,分節(jié)段預(yù)制混凝土梁體,并用縱向預(yù)應(yīng)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(dòng)裝置將梁逐段向?qū)Π俄斶M(jìn),就位后落架,更換正式支座完成橋梁施工的方法。

2.5 移動(dòng)式模架逐孔施工法

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

3 橋梁工程預(yù)應(yīng)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(yīng)力裂縫,是預(yù)應(yīng)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(jì)原因:在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)中,一般對(duì)于正截面強(qiáng)度是重視的,而對(duì)于斜截面強(qiáng)度或者主拉應(yīng)力,有時(shí)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(shí)走動(dòng),使腹板減薄,有的工地上實(shí)際腹板厚度比設(shè)計(jì)少 2 cm,甚至減小4 cm,這種情況下,必然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)斜裂縫。

3.2 垂直裂縫

在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中,受彎的垂直裂縫比較少見,但有時(shí)還能見到。

產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)設(shè)計(jì)原因:設(shè)計(jì)中對(duì)于梁橋的正截面強(qiáng)度和應(yīng)力,一般都很注意,但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)疏忽,導(dǎo)致實(shí)際有效預(yù)應(yīng)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(yù)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(dá)3mm,不得不進(jìn)行壓漿處理,并導(dǎo)致出現(xiàn)斜裂縫。

3.3 縱向裂縫

縱向裂縫是預(yù)應(yīng)力梁橋中出現(xiàn)也較多的一種裂縫,僅次于主拉應(yīng)力斜裂縫?？v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(zhǎng),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(yù)應(yīng)力;(2)順橋向的永存預(yù)應(yīng)力過大;(3)溫差應(yīng)力估計(jì)不足。

3.4 底板混凝土保護(hù)層劈裂

表現(xiàn)為底板預(yù)應(yīng)力束下的混凝土保護(hù)層劈裂,有時(shí)可達(dá)相當(dāng)寬的范圍。

產(chǎn)生原因主要有以下幾方面。

(1)設(shè)計(jì)原因:有的設(shè)計(jì)人員往往片面從充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力束的作用出發(fā),盲目減少其保護(hù)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(duì)已設(shè)置的波紋管道保護(hù)不夠,受到局部重載,形成折曲,張拉時(shí)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(qiáng)度還未足夠時(shí)。

4 橋梁工程預(yù)應(yīng)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(yùn)營中的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)了主拉應(yīng)力方向的斜裂縫,應(yīng)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(zhǔn)確找出原因比較困難,所以,在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該合理地確定中、邊跨比,注重跨度 1/4處的剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力檢算,適當(dāng)增加箍筋配置,對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)的豎向預(yù)應(yīng)力筋的永存預(yù)應(yīng)力的核算,應(yīng)充分考慮施工控制精度和工藝水平以及各項(xiàng)預(yù)應(yīng)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(jì)時(shí)應(yīng)合理擬定截面,確定適宜的預(yù)應(yīng)力度,對(duì)于較長(zhǎng)的跨度及橋面較寬的情況,應(yīng)盡量設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力,此外,對(duì)錨下局部應(yīng)力應(yīng)給予足夠的重視,對(duì)超常規(guī)設(shè)計(jì)必要時(shí)應(yīng)配合做錨下局部應(yīng)力試驗(yàn),以免混凝土受力過大。此外,對(duì)易發(fā)生堿骨料反應(yīng)的地區(qū),應(yīng)重視骨料的選用以及施工用水的化驗(yàn),避免堿骨料反應(yīng)發(fā)生。對(duì)于因截面或預(yù)應(yīng)力度設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的裂縫,應(yīng)找出應(yīng)力的超過幅度,進(jìn)行分析,如應(yīng)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(yīng)采用加固截面或加體外預(yù)應(yīng)力等措施處理。若開裂非常嚴(yán)重,必要時(shí)就應(yīng)廢掉重做。

4.3 橫向裂縫控制措施

對(duì)于在運(yùn)營期間因徐變產(chǎn)生的橫向裂縫,一般應(yīng)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(dú)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(yù)應(yīng)力度。對(duì)于一般的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋,在設(shè)計(jì)必要時(shí)應(yīng)做徐變?cè)囼?yàn),或預(yù)留張拉孔道,以便日后出現(xiàn)開裂時(shí)對(duì)梁的受力進(jìn)行調(diào)整,使裂縫閉合。對(duì)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(yīng)采用環(huán)氧樹脂予以封閉,以免在日后的運(yùn)營過程中因水汽或有害氣體進(jìn)入,腐蝕鋼筋和高強(qiáng)鋼束,影響結(jié)構(gòu)的安全及耐久性。對(duì)于在運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)的橫向裂縫,一般應(yīng)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(yù)防和處治對(duì)策

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

由于因溫度變化過大造成的裂縫,首先應(yīng)選擇低水化熱的水泥,合理配置構(gòu)造鋼筋;其次是對(duì)采用蒸汽養(yǎng)生的粱,應(yīng)嚴(yán)格控制開始時(shí)的升溫和結(jié)束時(shí)的降溫時(shí)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?xí)r,要采取切實(shí)可行的保溫、隔熱措施等。有時(shí),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(shí)由于舊混凝土齡期較長(zhǎng),收縮大部分完成,而新澆混凝土結(jié)硬時(shí)收縮受阻等原因也會(huì)引起混凝土開裂,這種情況應(yīng)該盡量避免,若必須如此,則應(yīng)采取增加構(gòu)造布筋和其他適當(dāng)?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(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀可能有影響外,不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)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(hù)層厚度、使鋼筋容易遭受腐蝕。

5 結(jié) 論

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫的成因比較復(fù)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(gè)主要原因:(1)計(jì)算理論的不完善,如溫度影響(包括水化熱)、剪力滯及三向應(yīng)力的計(jì)算等;(2)設(shè)計(jì)勘測(cè)和模型計(jì)算與實(shí)際情況相差較大,如基礎(chǔ)的不均勻沉降和溫度應(yīng)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(yù)應(yīng)力損失等問題。綜上所述,只要把好設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工各方面的技術(shù)和管理關(guān),預(yù)應(yīng)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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