懸澆連續(xù)箱梁齒塊崩裂原因分析與加固研究

曾明輝 陳竹林

0 引言

懸澆連續(xù)箱梁橋被廣泛應(yīng)用于公路橋梁之中，箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉往往采用的是后張法，預(yù)應(yīng)力在齒塊錨頭區(qū)域形成應(yīng)力集中，齒板錨墊板區(qū)域應(yīng)力較復(fù)雜，由于在設(shè)計(jì)中考慮不周和施工不到位，引起部分橋梁在合龍張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，引起齒板底板崩裂，本文結(jié)合樂(lè)安河特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)其崩裂的原因進(jìn)行分析。

1 工程實(shí)例

樂(lè)安河特大橋主橋?yàn)?5m+3×70m+45m變截面三向預(yù)應(yīng)力連續(xù)單箱單室箱梁結(jié)構(gòu)，橋面寬度29 m，采用掛籃懸臂澆筑法施工，箱梁除0號(hào)塊外，縱向分段長(zhǎng)度為3 m+4×3.5 m+3×4 m。各墩施工階段T構(gòu)體系箱梁墩頂0號(hào)塊長(zhǎng)10 m，中跨、次中跨、邊跨合龍段長(zhǎng)度均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為8.86 m，連續(xù)箱梁主橋墩為16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)墩。

主橋箱梁設(shè)計(jì)采用三向預(yù)應(yīng)力，縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用φj15.24鋼絞線(xiàn)，縱向每束鋼絞線(xiàn)股數(shù)分別為15股和9股，橫向鋼束每束3股，間距為50 cm，縱向鋼束張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa和1 339.2 MPa(僅第二批張拉的連續(xù)底板束采用)，橫向鋼束張拉控制應(yīng)力采用1 339.2 MPa，豎向預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為25高強(qiáng)精軋粗螺紋鋼筋，沿全橋箱梁腹板內(nèi)布設(shè)，間距分別為50 cm和100 cm，其張拉控制應(yīng)力為319 kN。

主橋體系轉(zhuǎn)換按照從邊跨向次中跨、中跨逐步合龍的順序進(jìn)行。樂(lè)安河特大橋右幅邊跨(19號(hào)～20號(hào)墩)于2007年4月20日凌晨1:00進(jìn)行合龍段混凝土澆筑施工，4月24日進(jìn)行邊跨合龍段縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，按設(shè)計(jì)控制應(yīng)力及張拉順序完成后，上齒塊端部與頂板混凝土接觸處出現(xiàn)細(xì)小裂縫。該邊跨張拉后，解除19號(hào)墩的臨時(shí)支座。次中跨(18號(hào)～19號(hào)墩)于2007年4月30日1:20進(jìn)行合龍段混凝土施工，5月3日進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力張拉，3日晚11:40張拉完底板2LCB7，4LCB5，2LCB3’，6LCB3，4LCB1鋼束，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，接著張拉頂板OVM15-15 4LCD1鋼束，1號(hào)、4號(hào)束張拉完成，當(dāng)張拉3號(hào)束至設(shè)計(jì)控制應(yīng)力的83% (即1 158 MPa，占總設(shè)計(jì)應(yīng)力的70.75%)時(shí)，19號(hào)墩8號(hào)上齒塊根部至合龍段肋板處頂板混凝土突然爆裂，波紋管下崩，鋼筋變形，相對(duì)應(yīng)的18號(hào)墩齒塊也出現(xiàn)裂紋。15號(hào)墩現(xiàn)澆段于5月4日澆筑，并于5月14日凌晨1:15進(jìn)行15號(hào)～16號(hào)邊跨合龍段混凝土施工，5月17日進(jìn)行合龍段縱向預(yù)應(yīng)力束張拉施工，底板束按設(shè)計(jì)要求張拉完成后，于17日下午3:00開(kāi)始張拉頂板鋼束，先張拉OVM15-9 4LSD2鋼束，未出現(xiàn)異常，當(dāng)張拉到第一束LSD1且應(yīng)力值剛好達(dá)到設(shè)計(jì)控制應(yīng)力1 395 MPa(頂板束張拉應(yīng)力占總設(shè)計(jì)應(yīng)力的62.5%)時(shí)，15號(hào)墩現(xiàn)澆段倒角與頂部相接部分出現(xiàn)混凝土崩裂，造成波紋管下崩，局部鋼筋變形。

2 崩裂原因分析

2.1 設(shè)計(jì)方面原因

1 )箱梁的空間效應(yīng)考慮不周。a.連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用平面桿系有限元程序進(jìn)行計(jì)算，不能準(zhǔn)確反映箱梁的空間應(yīng)力狀態(tài)。底板法向應(yīng)力給出的是橫向均勻分布值，尤其是底板較寬，剪力滯效應(yīng)顯著和縱向鋼束橫向分布不均勻時(shí)，按平面桿系計(jì)算的應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力有較大出入;b.由于三向預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用，出現(xiàn)了大量的寬體、薄壁箱形截面連續(xù)梁。常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算通過(guò)建立平面桿系模型，利用等效荷載代替預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行分析，由于平面桿系模型自身的局限性，這種簡(jiǎn)化分析會(huì)導(dǎo)致一定的誤差;c.在預(yù)壓力的作用下，由于泊松比效應(yīng)箱梁底板會(huì)產(chǎn)生橫橋向和豎向拉應(yīng)力，這些拉應(yīng)力可能會(huì)超出混凝土的允許抗拉強(qiáng)度而造成破壞。

2 )對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束引起的徑向力的不利影響估計(jì)不足，主要反映在:a.沒(méi)有或較少考慮施工誤差對(duì)波紋管線(xiàn)形的影響，使理論計(jì)算徑向力往往小于實(shí)際的徑向力;b.沒(méi)有或較少考慮箱梁剪力滯的影響，使計(jì)算的局部應(yīng)力小于實(shí)際值;滯效應(yīng)在混凝土箱形梁設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮，特別是簿壁箱形寬翼緣截面，不能忽視其剪力滯效應(yīng)。對(duì)箱形截面的剪力滯效應(yīng)問(wèn)題，比較各國(guó)現(xiàn)階段箱形梁橋規(guī)范設(shè)計(jì)，可參考德國(guó)規(guī)范DIN1075“關(guān)于共同作用寬度”的條文規(guī)定執(zhí)行。

3 )對(duì)波紋管定位鋼筋重視不夠，有的設(shè)計(jì)定位鋼筋偏少，沒(méi)有采取可靠措施，確保定位鋼筋準(zhǔn)確牢固，使其能承擔(dān)混凝土澆筑時(shí)的振動(dòng)力而不發(fā)生變位。

4 )鋼束布置過(guò)多過(guò)密。預(yù)應(yīng)力筋未布置在腹板和梗腋處，導(dǎo)致底板預(yù)應(yīng)力管道過(guò)密，管道間距或管道中心距底板下緣距離偏小。

5 )防崩鋼筋構(gòu)造設(shè)計(jì)存在不足:a.防崩鋼筋直徑偏小，數(shù)量偏少。b.防崩鋼筋與上、下層鋼筋未緊密連結(jié)，甚至沒(méi)有箍住上、下層的橫向鋼筋，難以發(fā)揮抵抗徑向力的作用。

2.2 施工方面的原因

1 )波紋管的安裝位置與設(shè)計(jì)出入較大，或定位鋼筋與梁內(nèi)普通鋼筋骨架的連結(jié)不牢固，澆筑混凝土?xí)r波紋管產(chǎn)生變形或位移，特別是懸澆合龍時(shí)，若存在較大的合龍高差，卻不采取相應(yīng)的措施處理就合龍，都可能減小節(jié)段的轉(zhuǎn)角，從而加大下崩力;2)底板內(nèi)波紋管與普通鋼筋密集，發(fā)生干擾時(shí)，隨意變動(dòng)或取消部分防崩鋼筋。操作困難時(shí)，部分防崩鋼筋沒(méi)有箍住底板上、下層鋼筋，起不到防崩的作用;3)張拉鋼束時(shí)，混凝土強(qiáng)度未達(dá)到施工規(guī)范的要求，或者彈性模量偏低，施加預(yù)應(yīng)力后，變形較大;4)箱梁的腹板承受各種荷載組合下的主拉應(yīng)力或主壓應(yīng)力，腹板的厚度較設(shè)計(jì)厚度減薄將進(jìn)一步削弱腹板斜截面的抗剪能力，甚至?xí)?dǎo)致腹板開(kāi)裂。因此施工過(guò)程中因模板安裝不好導(dǎo)致的腹板厚度過(guò)薄將直接影響到腹板的抗裂性能，過(guò)厚又增加了懸臂箱梁的重量;5)由于施工的過(guò)程控制不嚴(yán)而可能出現(xiàn)鋼筋連接質(zhì)量差、綁扎不到位、混凝土拌和及振搗質(zhì)量差、模板安裝不牢固，從而導(dǎo)致漏振、蜂窩、麻面、露筋、漏漿、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量問(wèn)題。

3 加固處理措施

考慮到各合龍段齒塊混凝土均已澆筑，按設(shè)計(jì)要求校正各束孔道的位置，施工方工作量及難度非常大，施工周期短等原因，采取以下措施進(jìn)行處理:1)波紋管必須重新按設(shè)計(jì)曲線(xiàn)要素準(zhǔn)確定位，用定位鋼筋固定;2)適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力;3)在波紋管曲線(xiàn)段增加防崩鋼筋;4)在次中跨、中跨合龍段增加抗拉鋼筋。對(duì)已破壞的齒塊處理。具體方法如下:1)先放松預(yù)應(yīng)力束;2)將已破壞的波紋管下方的混凝土及齒塊范圍內(nèi)波紋管以下混凝土全部鑿除，波紋管以上及周?chē)幕炷寥缬辛芽p則一并鑿除;3)檢查鋼筋，若比設(shè)計(jì)圖紙少則應(yīng)補(bǔ)足;4)在波紋管曲線(xiàn)段增加部分箍筋，用風(fēng)鉆鉆孔穿過(guò)頂板上方，環(huán)形箍住波紋管及頂板;5)重新用環(huán)氧樹(shù)脂混凝土(C50)澆筑齒塊及其他鑿除的部分;6)齒塊或頂板出現(xiàn)較細(xì)小的裂縫部分用環(huán)氧樹(shù)脂或其他修補(bǔ)材料壓漿;7)當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土澆筑的齒塊達(dá)到齡期后，先對(duì)稱(chēng)同時(shí)張拉兩邊的1號(hào)、4號(hào)鋼束;之后再盡量同時(shí)張拉中間2號(hào)、3號(hào)鋼束;8)降低頂板束張拉控制應(yīng)力，每束張拉控制力采用張拉控制應(yīng)力906.75 MPa; 9)在合龍段橋面增加鋼筋。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)樂(lè)安河特大橋齒塊崩裂原因分析與加固措施，對(duì)懸澆箱梁設(shè)計(jì)與施工值得注意和改進(jìn)的地方，歸納為以下幾點(diǎn): 1)預(yù)應(yīng)力束曲率效應(yīng)產(chǎn)生的下崩力以及施工誤差造成的預(yù)應(yīng)力曲率效應(yīng)的增大是導(dǎo)致底板混凝土崩裂破壞的主要原因，在設(shè)計(jì)與施工中需要注意;2)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮實(shí)際施工誤差等不利因素的影響，在底板內(nèi)增設(shè)箍筋和其他抗剪鋼筋，有效抑制混凝土的局部崩裂。施工上必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行施工;3)施工中要嚴(yán)格按圖紙施工，預(yù)應(yīng)力波紋管道的定位要確保準(zhǔn)確;4)施工時(shí)一定要按照實(shí)際的設(shè)計(jì)施工，要特別注意波紋管的定位、防崩鋼筋的設(shè)置、底板和腹板澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、管道壓漿密實(shí)等。

［1］ 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［3］ 嚴(yán)允中.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板崩裂原因及預(yù)防措施［J］.公路交通技術(shù)，2006，12(6)：23-24.