服役連續(xù)剛構(gòu)橋腹板開裂分析與控制

厲曉燕

(中鐵大橋局第七工程公司，湖北武漢 430050)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)，具有很多優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，已有調(diào)查發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分此類橋在運(yùn)營一段時(shí)間之后其箱梁腹板會(huì)開裂[2，3]，這給橋梁的繼續(xù)服役帶來一定的不利影響，需對其引起重視。

國內(nèi)的一些研究學(xué)者已開始對腹板開裂進(jìn)行研究。劉山洪等[4]從設(shè)計(jì)、施工方面對如何控制腹板裂縫進(jìn)行了探討，給出了在建的連續(xù)剛構(gòu)橋縱向筋的部分預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果。王勇[5]以體外預(yù)應(yīng)力在一座連續(xù)剛構(gòu)橋加固中的應(yīng)用為例，分析了裂縫情況和病害原因，提出體外預(yù)應(yīng)力加固方法，對箱梁結(jié)構(gòu)的豎向位移和混凝土應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。劉小燕等[6]采用空間有限元建模方法對腹板應(yīng)力進(jìn)行分析。崔琨[7]以一座三跨連續(xù)箱梁為背景，采用平面框架模型和空間板殼模型研究了裂縫的成因及加固方法。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]根據(jù)實(shí)例中開裂問題提出了一些預(yù)防措施。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)、施工、材料及溫度等方面分析了連續(xù)剛構(gòu)橋腹板開裂的原因，并提出了一些防治的建議。

1 裂縫產(chǎn)生原因

混凝土是一種混合材料，由水、水泥、砂石及其他外加材料組成，彈性模量較高，但是抗拉強(qiáng)度較低。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題，硬化成型的混凝土中存在著相當(dāng)多的孔隙和微裂縫，在溫差、荷載等作用下，微裂縫會(huì)慢慢地?cái)U(kuò)展甚至?xí)嗷ミB通，久而久之，就會(huì)形成人們?nèi)庋劭梢姷暮暧^裂縫。

1.1 材料引起的裂縫

在實(shí)際的服役橋梁中，因混凝土收縮所引起的裂縫特別常見。水灰比、坍落度過大或使用過量粉砂等，將致使混凝土產(chǎn)生裂縫，而采用含泥量較大的粉砂配制的混凝土收縮性大。塑性收縮發(fā)生在混凝土澆筑后5 h～6 h，此時(shí)水泥水化反應(yīng)較大，逐漸出現(xiàn)泌水和水分蒸發(fā)現(xiàn)象，混凝土骨料因自重而下沉，若受到鋼筋的阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹?，因硬化前沉?shí)不均勻，將發(fā)生表面的順腹板方向裂縫。泵送混凝土為了能夠滿足流動(dòng)性好、坍落度大的泵送條件，容易產(chǎn)生局部粗骨料少、砂漿多的現(xiàn)象，此時(shí)混凝土脫水干縮就會(huì)產(chǎn)生表面裂縫。

1.2 施工造成的裂縫

我國已經(jīng)建造了數(shù)座震驚中外的特大跨橋梁，如虎門大橋、黃石長江大橋等，取得了顯著的成果，但總體說來，施工質(zhì)量水平不高，尚未達(dá)到精細(xì)化施工，管理制度欠完善，如常出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力波紋管的定位與設(shè)計(jì)有較大偏差，改變了預(yù)應(yīng)力束的偏心矩，使其難以建立足夠的預(yù)應(yīng)力;另外，預(yù)應(yīng)力孔道灌漿時(shí)，常發(fā)生孔道中水泥漿未充滿、有空隙的現(xiàn)象。

在混凝土拌和時(shí)未對各種成分做精確計(jì)量，粗細(xì)骨料質(zhì)量控制不嚴(yán)格，含泥量過高等。預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋腹板鋼筋骨架多、間距小，造成內(nèi)部混凝土難以振實(shí)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度可能沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號。施工過程中還存在拆模早，豎向接縫處混凝土的密實(shí)度差，鑿毛的深度和力度不夠等，這會(huì)降低主梁的整體剛度。另外，過早施加施工荷載、超載也是導(dǎo)致混凝土開裂的原因。

1.3 分析計(jì)算

橋梁結(jié)構(gòu)自重引起的上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力是一定的，預(yù)應(yīng)力的大小可以導(dǎo)致不同的內(nèi)力分布，能改變上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。以往的橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一直忽視了上部結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營時(shí)效彈性下?lián)系挠绊?。目前連續(xù)剛構(gòu)橋的分析計(jì)算多采用平面桿系程序。該類分析軟件能夠分析由預(yù)應(yīng)力、收縮徐變及溫度引起的結(jié)構(gòu)縱向彎曲變形時(shí)結(jié)構(gòu)的受力，然而，對于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，剪力滯效是會(huì)發(fā)生變化的，在整體分析計(jì)算時(shí)，平面桿系程序很難精確模擬這種變化，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況存在一定偏差。

設(shè)計(jì)理論、假設(shè)狀態(tài)與箱梁實(shí)際受力狀態(tài)不一致是普遍存在的問題[11]，由此導(dǎo)致的應(yīng)力把握不準(zhǔn)，同樣會(huì)造成箱梁發(fā)生開裂。

1.4 溫度裂縫

當(dāng)混凝土的邊界受到約束時(shí)，由溫度應(yīng)變所引起的裂縫幾乎是不可避免的。溫度應(yīng)變包括水化熱引起的早期溫度應(yīng)變和季節(jié)降溫引起的長期溫度應(yīng)變，前者可以用下式來表示[12]:

其中，α為混凝土線膨脹系數(shù);ΔT為溫差。

溫度梯度同樣會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。既有的混凝土橋梁由于自然環(huán)境溫度及太陽光的照射，橋面溫度迅速變化，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍處于原來的狀況，這就形成較大的溫度梯度。大體積混凝土澆筑后水化放熱也有這類問題。溫度作用下，應(yīng)力應(yīng)變會(huì)增加由溫度導(dǎo)致的應(yīng)變項(xiàng)，可用下式來表示[13]:

1.5 預(yù)應(yīng)力損失

加到混凝土構(gòu)件上的初始預(yù)應(yīng)力，由于種種原因會(huì)隨時(shí)間的增長而發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失。在先張構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力損失的原因有:混凝土的彈性壓縮、收縮、徐變以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛;在后張構(gòu)件中，還有摩阻力和錨具造成的損失。彈性壓縮、摩阻力和錨具損失是瞬時(shí)性的，而鋼筋松弛損失、混凝土收縮和徐變則是隨著時(shí)間變化的。

橋梁運(yùn)營時(shí)間越長，預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛效應(yīng)越明顯。施工中的縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋多用低松弛鋼絞線，結(jié)合規(guī)范中規(guī)定的張拉前、張拉中的操作工藝等減少預(yù)應(yīng)力損失。但在大跨度梁預(yù)應(yīng)力施工中，一般規(guī)范規(guī)定往往與具體情況難以較好吻合。較大的應(yīng)力松弛也降低了腹板的有效預(yù)加力，這也是箱梁腹板開裂的主要原因[14]。

1.6 運(yùn)營管理方面

由于運(yùn)營管理的不到位，致使橋梁上車輛超載、超限的現(xiàn)象非常普遍，交通量過大和超載等原因而使中跨梁體產(chǎn)生下?lián)?，箱梁腹板出現(xiàn)大量斜裂縫。

2 裂縫的防治

2.1 設(shè)計(jì)方面

無論是斜裂縫還是垂直裂縫，都會(huì)使主梁剛度降低，撓度加大，從而進(jìn)一步引起梁體開裂，二者相互影響。高跨比是影響主梁受力的主要參數(shù)，適當(dāng)?shù)脑龃罅焊撸梢约哟笾髁簞偠?，使主梁?yīng)力狀態(tài)有明顯改善[9]，如2008年通車的貴遵高速公路烏江大橋，腹板沒有產(chǎn)生斜裂縫。另外，鑒于連續(xù)剛構(gòu)橋1/4跨截面剪應(yīng)力較大，可優(yōu)化梁底線形，適當(dāng)減小拋物線次數(shù)，以增加該處截面高度，這對于避免斜裂縫的出現(xiàn)十分有利。

連續(xù)剛構(gòu)橋在預(yù)應(yīng)力和豎向荷載的共同作用下，可視為一種偏心受壓結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)的徐變可以分解為軸向徐變和彎曲徐變，如果結(jié)構(gòu)各截面沿梁高方向的應(yīng)力梯度均為零，則結(jié)構(gòu)中只有軸向應(yīng)力和軸向徐變，而軸向徐變的不利影響很小;彎曲徐變是由沿截面高度的應(yīng)力梯度引起的，可以通過增加頂板負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋和增加中支點(diǎn)區(qū)域底板厚度的方法來解決。

文獻(xiàn)[15]結(jié)合湖北龍?zhí)逗犹卮髽?，通過對比布置下彎鋼束和不布置下彎鋼束兩種情況，發(fā)現(xiàn)前者能夠減小截面剪力及主拉應(yīng)力，可有效預(yù)防腹板開裂。從虎門大橋輔航道橋起，連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力布束方案發(fā)生了很大變化[16]，采用大噸位預(yù)應(yīng)力束，以縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力的合理配置控制主拉應(yīng)力，取消彎起索和下彎束，采用平、豎彎相結(jié)合的空間曲線，縱向預(yù)應(yīng)力索應(yīng)盡量靠近腹板布置。

2.2 材料和施工方面

應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比，盡量減少混凝土的單位用水量，在必要時(shí)可摻加高效減水劑和優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以減少收縮，提高混凝土的和易性、耐久性。骨料應(yīng)進(jìn)行定性檢驗(yàn)，防止采用堿活性骨料;摻合料要合理，避免為追求某一方面的性能而過量采用，且不應(yīng)選用帶氯離子的摻合料。

控制施工裂縫的產(chǎn)生還有以下措施:

1)確保鋼筋綁扎和模板質(zhì)量，安裝支撐系統(tǒng)并確保支撐位置正確。

2)混凝土澆筑時(shí)，考慮天氣因素，振搗棒要快插慢拔。

3)對拌制的混凝土原材料嚴(yán)格計(jì)量，使配合比符合標(biāo)準(zhǔn)要求，拌好的混凝土停滯時(shí)間不要超過4 h。

4)嚴(yán)格控制施工臨時(shí)荷載、構(gòu)件的堆放。

2.3 溫度方面

為減輕溫度應(yīng)力的影響，可從溫度的控制方面著手。改善骨料級配，用干硬性混凝土，摻混合料，加入引氣劑等措施，可用低水化熱的普通硅酸鹽水泥摻15%的一級粉煤灰，盡量減少水泥用量。進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)，采取保溫措施，控制混凝土溫降速度，以減小由于溫度梯度而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。

混凝土拆模時(shí)間應(yīng)考慮氣候、環(huán)境等條件，應(yīng)有利于強(qiáng)度的正常增長，并防止混凝土開裂，故規(guī)定拆模時(shí)混凝土的溫度差要滿足式(3)[17]:

式中各參數(shù)的含義見文獻(xiàn)[17]。

除此之外，運(yùn)營管理部門還要對超載、超限現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格管制，并對橋梁進(jìn)行定期檢測或健康監(jiān)測，以保證橋梁的良好使用。

3 開裂的處理

裂縫的存在會(huì)造成結(jié)構(gòu)剛度降低，加速鋼筋銹蝕，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，進(jìn)而造成裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，影響橋梁的耐久性。所以，一定要結(jié)合裂縫的特點(diǎn)、性質(zhì)及橋梁自身情況，進(jìn)而采取不同的處理措施，保證結(jié)構(gòu)能繼續(xù)安全服役。

對腹板裂縫采用混凝土粘著劑、裂縫灌注劑進(jìn)行修復(fù)?；炷琳持鴦┯糜诹芽p表面的密封，防止水及酸堿氣體進(jìn)入裂縫內(nèi)部。裂縫灌注劑用于粘結(jié)開裂混凝土面，使開裂混凝土重新成為整體[18]。具體施工工藝如下:打磨→清除雜物→混凝土粘著劑堵縫→硬化后低壓持續(xù)注射灌入裂縫灌注劑。對于那些已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞的裂縫，應(yīng)該對該部位的混凝土進(jìn)行置換，工程中比較常用的置換材料有普通混凝土、聚合物混凝土、改性聚合物混凝土。

由于裂縫對原混凝土及結(jié)構(gòu)已造成一定損傷，腹板裂縫修補(bǔ)完畢后，應(yīng)用碳纖維布對腹板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng):沿裂縫方向粘貼一條300 mm寬碳纖維布條，并在裂縫兩端均向外延伸500 mm，然后沿垂直于裂縫方向粘貼300 mm×1 000 mm，間距300 mm的碳纖維布條，以抵抗主拉應(yīng)力。

4 結(jié)語

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種極有生命力的橋梁結(jié)構(gòu)形式，隨著橋梁施工技術(shù)水平的提高，對混凝土收縮、徐變、溫度變化、預(yù)應(yīng)力作用、墩臺(tái)不均勻沉降等因素所引起的附加內(nèi)力的研究日益深入，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋已成為目前大跨橋梁主要采用的結(jié)構(gòu)體系之一。而裂縫的出現(xiàn)不僅影響結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，還會(huì)引起鋼筋的銹蝕、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲勞性。因此，提前采取必要措施對預(yù)防混凝土裂縫十分重要。

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