先簡支后連續(xù)小箱梁開裂問題及解決措施

胡瑞光

（福建省高速公路有限責任公司南平管理分公司）

1 引言

近年來，先簡支后連續(xù)小箱梁橋在我國橋梁建設(shè)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，由于這種橋型自身的結(jié)構(gòu)特點，在施工和運營階段容易出現(xiàn)一些威脅到其結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的典型病害，其中影響最大的就是小箱梁的開裂問題，裂縫問題的存在直接影響到此類橋型在工程中的應(yīng)用和推廣。只有不斷的通過理論研究，從設(shè)計理論、施工工藝和運營管理等多方面開展系統(tǒng)的研究，形成一套完整的先簡支后連續(xù)小箱梁橋施工與控制關(guān)鍵技術(shù)，才能夠切實指導(dǎo)此類橋梁在今后橋梁建設(shè)中的應(yīng)用。

2 先簡支后連續(xù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式和受力特點

簡支橋梁由于其施工工藝比較成熟，并且整體橋梁的受力體系比較簡單，具有梁體批量預(yù)制生產(chǎn)，上下結(jié)構(gòu)同時施工的特點。早期的簡支梁橋橋面上設(shè)置有很多的伸縮縫裝置，這就導(dǎo)致橋面的連續(xù)性不足，行車過程中會受到顛簸，影響行車舒適性。而連續(xù)梁橋的受力體系比較復(fù)雜，大多采用現(xiàn)澆的施工工藝，材料設(shè)備的投入也比較大，上下部結(jié)構(gòu)也不能夠同時施工，所以一般很難有效縮減施工工期，但是連續(xù)梁橋的伸縮縫比較少，因此橋面的連續(xù)性較好，提高了行車舒適性。先簡支后連續(xù)梁橋則結(jié)合了這兩種梁橋的優(yōu)點，摒棄兩者的缺點，一方面能夠有效縮短施工工期，另一方面也能夠提供良好的行車環(huán)境。先簡支后連續(xù)梁橋體系圖如圖1所示，這種橋型針對頂端容易開裂的位置常采用先澆混凝土后張預(yù)應(yīng)力工藝，通過墩頂梁段施工加預(yù)應(yīng)力來抵消荷載在墩頂負彎矩區(qū)段產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使得混凝土始終都保持一種受壓狀態(tài)，很好的解決了開裂問題。

圖1 先簡支后預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋型

在將預(yù)支好的簡支梁放到臨時支座上的過程中，梁體主要承受的是先期的預(yù)應(yīng)力和自身重量，現(xiàn)澆梁端接頭混凝土之后，張拉負彎矩預(yù)應(yīng)力束，也就形成了連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在使用過程中的受力具體表現(xiàn)為支點負彎矩比同等體積現(xiàn)澆的連續(xù)梁小，彎矩分布比較均勻，配置預(yù)應(yīng)力束的時候更加方便。在簡直梁階段，混凝土早期形變不會產(chǎn)生次內(nèi)力，支座的不均勻沉降也不會產(chǎn)生附加內(nèi)力，但是在形成連續(xù)梁體之后，混凝土的收縮和變形就會受到約束，從而產(chǎn)生二次內(nèi)力，并且這種內(nèi)力會隨著時間的變化而不斷變化。

3 先簡支后連續(xù)小箱梁橋開裂成因分析

3.1 材料成因分析

材料方面重點是指混凝土對橋梁所造成的不良影響，因為混凝土本身材料的特殊性能，可以重點從混凝土的收縮、徐變和溫度這三個方面對結(jié)構(gòu)的影響進行分析。

（1）混凝土的收縮和徐變問題，伴隨時間的推移，混凝土的熱脹冷縮會受到其內(nèi)在的鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼的制約，以致架構(gòu)形成內(nèi)部重分布，加之混凝土架構(gòu)內(nèi)部所有構(gòu)成內(nèi)容的漸變與收縮的水平不一，因此互相間會相互約束，以致橋梁內(nèi)部形成應(yīng)力，另外，梁體的標高修正與支座的沉降同樣會在架構(gòu)中形成內(nèi)力，伴隨混凝土的逐漸變化便會漸漸減弱制約內(nèi)力。

（2）混凝土溫度對小箱梁的不良影響，混凝土物料因為本身的導(dǎo)熱功能不顯著，如果外面的溫度產(chǎn)生很大變化，其內(nèi)架構(gòu)內(nèi)部的溫度變動便會落后，以致混凝土層分散的熱量產(chǎn)生很大程度的差別，最后導(dǎo)致架構(gòu)內(nèi)的溫度以非線性的形式分布。另外，混凝土橋梁構(gòu)件溫度的分布狀況同其構(gòu)件的形狀也有很大的聯(lián)系，就箱型橋梁來說，箱梁的頂板溫度變化相對腹板表面溫度差異比較大，所以在橋面鋪裝層比較薄的時候，箱梁頂板受溫度的影響就相對明顯。

3.2 施工成因分析

3.2.1 鋼筋保護層厚度不足

在建造過程中，簡支連續(xù)底板鋼筋的墊塊假如高度較矮亦或密度不夠，便會導(dǎo)致混凝土鋼筋的保護厚度不夠，進而增快了大氣中水與二氧化碳對其的融合速率。假如二氧化碳融進混凝土內(nèi)部，和部分堿性物質(zhì)相遇并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時候，就會使原有的堿性物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，形成碳酸鹽，讓混凝土的堿度變低，該過程我們將其叫做碳化作用。假如碳化作用滲透到混凝土的保護層，讓保護層的堿度變小，鋼筋便喪失了保護，最后生銹，而生銹之后的鋼筋的規(guī)模會變成原來的3倍左右，如此就會讓周邊的混凝土形狀發(fā)生變化受到制約，導(dǎo)致的結(jié)果就是混凝土構(gòu)件沿著鋼筋表面會產(chǎn)生縱向的裂縫。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束超張拉

當前時期，預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉施工通常運用的均是引申量與張拉力雙重控制的標準，但是受到各方面的影響，在實際施工中難以保障預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉可以達到設(shè)計的要求，較易產(chǎn)生超張拉的不足。假如箱梁底板的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉不能被高效的管控，作業(yè)過程中張拉力高于設(shè)計數(shù)值，加之預(yù)應(yīng)力孔道較易偏離準確位置，因此較易在混凝土箱梁底板所在地形成垂直方向的裂縫。

3.2.3 預(yù)應(yīng)力孔道偏位

在實際施工過程中，經(jīng)常發(fā)生預(yù)應(yīng)力鋼束的定位鋼筋未曾依照設(shè)計標準間距布設(shè)的狀況，以致預(yù)應(yīng)力鋼束的現(xiàn)實地點和設(shè)計地點之間存在較大偏差，再加上施工過程中管理工作做的不到位，存在隨意踩踏預(yù)應(yīng)力定位管道的現(xiàn)象，還有的定位管道的墊塊放置數(shù)量不足，以致在混凝土澆灌完工之后，管道下彎位置不準確。張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時，沿著鋼束的方向便會形成向上亦或向下的縱向力，在此種徑向力的影響下，便會增大箱梁底板出現(xiàn)裂縫的概率。

圖2 小箱梁底板縱向裂縫

3.2.4運營管理問題

運營管理問題主要是針對車輛的超負荷管控，在橋梁運行時期，假如管理工作沒有充分做好，便會常常產(chǎn)生部分超載汽車從橋梁上通過的問題。超負荷運行的汽車會讓橋梁出現(xiàn)程度較深的豎向彈性位置移動，左右兩側(cè)的箱梁翼緣板也會發(fā)生錯動，車輛離去后此種錯動停止，箱梁也會變回原來的樣子?？墒羌偃玳L時間受到超負荷汽車的不良影響，較易讓小箱梁分開，嚴重時會喪失所有的橫向聯(lián)系性能，以致小項梁單梁受力狀況，彈性形狀變化逐漸發(fā)展為塑性形狀變化，在此種類型車輛的長期影響下，會增大底板預(yù)應(yīng)力鋼束對其的反作用力。這也就是為什么有很大一部分的先簡支后連續(xù)小箱梁橋在建造過程中并未出現(xiàn)裂縫，而在運行一段時間后便會產(chǎn)生底板縱向裂縫的緣由。

4 先簡支后連續(xù)小箱梁橋防裂措施

4.1 選材防裂措施

抗裂混凝土的基本配置原則如下：

（1）混凝土早期的收縮裂縫一般都是出現(xiàn)在水泥漿的凝結(jié)硬化時，因為水泥漿形成的凝聚力所引發(fā)，因此在選擇水泥時要遵循“低鋁酸三鈣、低堿量和低水熱”的要求，而且盡量不選取早強水泥；

（2）骨料盡量選取級配優(yōu)良、強度大、硬度大的干凈骨料，嚴格管控好奇的級配和形狀，另外還應(yīng)當將沙子的細度模數(shù)管控在科學(xué)范疇內(nèi)，提升水分含量，減小其表面積，進而減小水泥塑性收縮出現(xiàn)的裂縫；

（3）最好選用高品質(zhì)的粉煤灰亦或礦渣等礦物摻合料，運用品質(zhì)級別高的引氣劑；

（4）選用減水劑的時候盡量選擇減水效率高的，降低拌合的用水量；

（5）少用硅酸鹽水泥，并且要限定混凝土材料中凝膠材料的用量上下限。

4.2 施工階段的防裂措施

4.2.1 混凝土澆筑階段的防裂措施

在混凝土澆筑過程中需要注意以下幾點：①先簡支后連續(xù)小箱梁澆灌混凝土?xí)r應(yīng)該依照先澆筑底板，后澆筑腹板，最后澆筑頂板的次序，在澆筑施工時還應(yīng)該設(shè)置專業(yè)的監(jiān)察人員加以監(jiān)督，避免產(chǎn)生漏振、欠振等問題。在部分振動器無法作業(yè)的地方比如模板的角落還應(yīng)該運用插釬輔助振搗；②在小箱梁澆灌完工后，頂部還應(yīng)進行抹光處置，而且要確保在混凝土初次凝結(jié)以前用清掃工具作拉毛處理；③對于一些橋梁中存有的預(yù)埋件、預(yù)應(yīng)力管道、錨墊板后鋼筋密集區(qū)的振搗應(yīng)力爭全面，到位，避免振搗器損傷預(yù)埋件與預(yù)應(yīng)力管道，進而導(dǎo)致無謂的錯位與毀壞，確?；炷恋膱詫嵭?；④在夏天溫度較高的狀況下實施混凝土澆筑作業(yè)時，應(yīng)保持混凝土混合料的溫度低于32℃，如果溫度高于32℃應(yīng)該馬上采用科學(xué)的降溫舉措將溫度降低。

4.2.2 混凝土養(yǎng)護時期的防裂舉措

混凝土澆筑以后應(yīng)當留出一定的時間加以養(yǎng)護，而且在混凝土構(gòu)件養(yǎng)護時期，應(yīng)實時關(guān)注外界氣溫的改變，采用科學(xué)的舉措對混凝土的溫度加以控制。養(yǎng)護所用的水不可隨意運用河中的水亦或海中的水，一定要確保達到混凝土拌合水的技術(shù)要求。養(yǎng)護階段可以采取以下幾點措施防止裂縫的出現(xiàn)：①澆筑完成后用麻袋亦或其他材料加以覆蓋，進行養(yǎng)護，防止混凝土構(gòu)件遭受外界因素的影響以后出現(xiàn)裂縫；②合理安排箱梁的拆模時間，保證箱梁內(nèi)外的溫度差不能過大，因此在外界氣溫變化較大或者風(fēng)速較大的時候不宜拆模；③夏季施工時，在混凝土的降溫期間要進一步加強養(yǎng)護，防止降溫過快引起的裂縫，而冬季澆筑箱梁的時候，除了要按照冬季特定的養(yǎng)護方法外，在必要的時候還可以進行蒸汽養(yǎng)護。

圖3 小箱梁噴淋養(yǎng)護

4.2.3預(yù)應(yīng)力張拉控制措施

在我國，有很大一部分的混凝土橋梁開裂問題都是由于預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)不規(guī)范操作導(dǎo)致的，雖然預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)有著相應(yīng)的指標，但是收到監(jiān)測方法的制約，很難保證其精度，再加上傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)很容易受到人工干擾，很難消除人為因素帶來的影響。所以為了進一步確保橋梁的有效預(yù)應(yīng)力建立以及其均勻度，可以考慮采用橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉作業(yè)。智能張拉系統(tǒng)借助計算機軟件實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力張拉的全過程自動化，消除了人為因素的影響，通過計算機控制張拉施工過程，徹底轉(zhuǎn)變了人工操作油泵控制預(yù)應(yīng)，全過程無需人工干預(yù)，并且能夠適應(yīng)多種施工環(huán)境，是我國目前預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)領(lǐng)域比較先進的施工工藝。

圖4 橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)

4.3 運營階段的防裂措施

先簡支后連續(xù)小箱梁橋上如果頻繁的有超載車通過甚至停車，很容易破壞橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此可以在橋梁兩側(cè)放上限重標志，而且應(yīng)增大人工監(jiān)察力度，禁止超載車輛從橋梁上行駛。另一方面，還應(yīng)注重橋梁的檢測，為了保證橋梁的安全運行，深入了解橋梁的耐久性與承受力性能，一定要對橋梁實施定期檢查。尤其是對部分交通量大的路段，應(yīng)注重橋梁的檢查，高度關(guān)注橋梁的檢查結(jié)果，著實增強橋梁的養(yǎng)護與管理工作。

5 結(jié)束語

先簡支后連續(xù)小箱梁橋由于受力體系簡單和施工工藝比較成熟，具有梁體批量預(yù)制生產(chǎn)，上下部結(jié)構(gòu)同時施工的特點，能夠顯著縮短工期，在我國高速公路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是當前很多先簡支后連續(xù)小箱梁橋結(jié)構(gòu)部件普遍存在比較嚴重的開裂病害，引起對其裂縫的成因和解決措施的研究就顯得更加重要。

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