混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫成因分析及加固措施

邱國(guó)虎

廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司 廣東廣州 510000

摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋在大跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛，但其在實(shí)際應(yīng)用中還存在不少問題值得深入研究，尤其是混凝土的裂縫問題。本文結(jié)合工程裂縫案例，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫的成因做了分析總結(jié)，并從多方面有針對(duì)性地提出箱梁裂縫加固的措施，可為其它同類型橋梁的維修加固提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土；預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁；裂縫問題；成因分析；加固措施

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、外形簡(jiǎn)潔、受力合理、施工工藝成熟、行車平順性好、伸縮縫少和養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在現(xiàn)代橋梁中得到廣泛應(yīng)用。但是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)病害的現(xiàn)象越來越普遍，不少的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋梁體開始有裂縫的形成。裂縫的存在嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，必須引起足夠的重視?；诖耍P者結(jié)合工程案例，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋出現(xiàn)的典型裂縫病害成因進(jìn)行分析研究，并從腹板加固、頂板加固、底板加固三大方面提出科學(xué)有效的預(yù)防控制和加固措施，僅供參考。

1 工程概況

某公路高架橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，跨徑布置為80m+3×130m+80m，橋?qū)?2m，為右幅橋。箱梁采用單箱室箱梁，主墩墩頂處梁高7.0m，跨中梁高2.5m，其間按1.8次拋物線變化，采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。箱梁的頂板和腹板為分段變截面。頂板厚度0.25m，在墩頂范圍0.50m；腹板在跨中81.4m范圍內(nèi)為0.40m，其余位置為0.6m；底板厚度在跨中為0.25m，墩頂根部為1.0m，其間按1.8次拋物線變化。

采用掛籃懸臂施工，每個(gè)T墩單側(cè)懸澆梁段劃分為14個(gè)節(jié)段（0#～13#），合龍段寬2.0m。

橋梁原來的設(shè)計(jì)荷載為汽車超—20，掛車—120。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023—85）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 裂縫病害概況

2012年、2013年經(jīng)過多次監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋上部結(jié)構(gòu)箱梁裂縫逐漸增多、裂縫寬度和長(zhǎng)度有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。裂縫病害情況主要表現(xiàn)為腹板存在大量斜裂縫，頂板和底板局部位置存在縱向裂縫。

該橋箱梁腹板內(nèi)側(cè)、外側(cè)均出現(xiàn)多條斜裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.15～0.90mm，長(zhǎng)度在0.3～7m；裂縫沿15°～45°方向分布；相較左側(cè)腹板，右側(cè)腹板裂縫病害情況更嚴(yán)重；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的L/4至跨中處，如圖1所示。

圖1 箱梁腹板斜裂縫分布示意

該橋箱梁頂板出現(xiàn)多條縱向裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.1～0.2mm，長(zhǎng)度在0.7～1.0m；橋面過車時(shí)裂縫寬度增大，過車后裂縫恢復(fù)；裂縫分布位置無明顯規(guī)律，如圖2所示。

圖2 箱梁頂板縱向裂縫分布示意

該橋箱梁底板局部位置出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.6～4.0mm，長(zhǎng)度在2.0～7.0m；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的跨中處，如圖3所示。

圖3 箱梁底板縱向裂縫分布示意

3 裂縫成因分析

3.1 腹板斜裂縫

根據(jù)腹板斜裂縫的病害特征可以認(rèn)定該橋腹板斜裂縫主要是由腹板主拉應(yīng)力超限引起的結(jié)構(gòu)受力裂縫。結(jié)合該橋的實(shí)際情況，主拉應(yīng)力超限的主要原因有如下幾個(gè)方面：

（1）豎向預(yù)應(yīng)力發(fā)揮不充分

根據(jù)類似橋型的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023—85，以下簡(jiǎn)稱舊規(guī)范）設(shè)計(jì)的大跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁截面連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)中出現(xiàn)不少有規(guī)律的斜裂縫。按舊規(guī)范的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，較普遍地取消彎起束，而用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力來克服主拉應(yīng)力。這樣做施工方便，還可以減薄腹板的厚度，節(jié)省材料。豎向預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)中對(duì)克服主拉應(yīng)力起到很大作用。但由于施工技術(shù)水平參差不齊、施工控制不嚴(yán)等原因，實(shí)際情況和設(shè)計(jì)預(yù)想情況并不吻合，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋一般施工質(zhì)量不理想，甚至有不張拉，預(yù)應(yīng)力徹底失效的情況，這些豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋往往不能充分發(fā)揮作用?？紤]到這些情況，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004，以下簡(jiǎn)稱新規(guī)范）在計(jì)算豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的豎向壓應(yīng)力時(shí)，在舊規(guī)范的公式基礎(chǔ)上乘以0.6的折減系數(shù)。

該橋設(shè)計(jì)時(shí)按舊規(guī)范設(shè)計(jì)。腹板裂縫主要分布在邊跨支點(diǎn)（8#～13#塊）及中跨的跨中范圍（6#～14#塊），該區(qū)域內(nèi)沒有預(yù)應(yīng)力筋的下彎束，抗剪主要依靠豎向預(yù)應(yīng)力筋和箍筋，豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋，有效預(yù)應(yīng)力較小，而且腹板中豎向預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度較短，引伸量小，預(yù)應(yīng)力張拉只能采用單控方式，采用一般的千斤頂張拉力難以控制，預(yù)應(yīng)力損失較大，當(dāng)施工稍有不慎時(shí)，鋼束的預(yù)應(yīng)力就有可能損失殆盡?；炷灵_裂后，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋可能發(fā)生銹蝕，從而導(dǎo)致截面抗力進(jìn)一步降低，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

利用有限元分析時(shí)，根據(jù)豎向預(yù)應(yīng)力作用的發(fā)揮程度，考慮3種模型。①模型1：考慮全部豎向預(yù)應(yīng)力作用；②模型2：考慮60%的豎向預(yù)應(yīng)力作用；③模型3：豎向預(yù)應(yīng)力全部失效，不考慮豎向預(yù)應(yīng)力。由表1可知，不考慮豎向預(yù)應(yīng)力和考慮全部豎向預(yù)應(yīng)力相比時(shí)，最大主拉應(yīng)力增大了1.5MPa。3種模型最大主拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 最大主拉應(yīng)力驗(yàn)算表MPa

（2）設(shè)計(jì)和施工偏差

按照規(guī)范，橋梁設(shè)計(jì)中通常僅從縱向和豎向二維來分析主拉應(yīng)力，沒有充分考慮橫向的影響。實(shí)際上，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁腹板處于三向受力狀態(tài)，不考慮橫向應(yīng)力的影響，必然使計(jì)算的主拉應(yīng)力值偏小。此外，由于過于依靠豎向預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致腹板設(shè)計(jì)偏薄，混凝土澆筑質(zhì)量不能保證；配置的箍筋偏少，也不能有效限制裂縫寬度。

和新規(guī)范相比，舊規(guī)范對(duì)于箱梁的溫度效應(yīng)估計(jì)不足，從而導(dǎo)致原設(shè)計(jì)得到的主拉應(yīng)力偏小。舊規(guī)范的溫差效應(yīng)按箱室內(nèi)外溫差5℃考慮，而新規(guī)范采用梯度溫度的折線溫差計(jì)算模式。溫度效應(yīng)是新、舊規(guī)范在應(yīng)力計(jì)算方面的一個(gè)顯著差別。

（3）運(yùn)營(yíng)管理

超載是公路交通中普遍存在的問題，近年來重載車輛逐年增多，當(dāng)汽車荷載超載時(shí)活載產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加。根據(jù)車輛行駛規(guī)則，一般重車沿右側(cè)行駛，荷載超限造成右側(cè)腹板主拉應(yīng)力較大，右側(cè)腹板開裂嚴(yán)重。

3.2 頂板縱向裂縫成因分析

（1）設(shè)計(jì)和施工偏差

該橋頂板厚度只有25cm，頂板上預(yù)留縱向預(yù)應(yīng)力管道，很難達(dá)到壓漿完全飽滿，較薄的頂板布置較多的預(yù)應(yīng)力孔道嚴(yán)重削弱了頂板的有效面積，容易在比較薄弱的截面出現(xiàn)縱向裂縫。由于頂板較薄，橫向預(yù)應(yīng)力管道距頂板頂面僅6.5cm，施工時(shí)管道定位稍有偏位，造成保護(hù)層厚度較薄，混凝土振搗不當(dāng)，混凝土收縮也會(huì)造成頂板局部出現(xiàn)縱向裂縫。

舊規(guī)范在橋面板的溫度效應(yīng)上考慮不足，也是引起頂板縱向裂縫的原因之一。

此外，該橋頂面只有一層混凝土鋪裝，橋面鋪裝開裂較為嚴(yán)重，頂板防水層破壞后，雨水順著鋪裝層裂縫進(jìn)入頂板內(nèi)，進(jìn)一步降低了頂板混凝土的耐久性，加速裂縫的發(fā)展。

（2）運(yùn)營(yíng)管理

該橋按汽車超—20荷載等級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中超載現(xiàn)象較為普遍，重車車輪荷載的直接作用是造成頂板裂縫的直接原因。

3.3 底板縱向裂縫成因分析

在大跨度變截面箱梁中，底板曲線預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的徑向力（尤其是當(dāng)?shù)装孱A(yù)應(yīng)力束布置在底板橫向跨中時(shí)）、底板自重作用及支座對(duì)腹板產(chǎn)生的偏心集中力等都會(huì)在底板產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，且底板未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，在各種效應(yīng)組合下，容易引起底板縱向裂縫。舊規(guī)范對(duì)這個(gè)問題認(rèn)識(shí)不足，按舊規(guī)范設(shè)計(jì)，底板產(chǎn)生縱向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)較大。底板曲線鋼束徑向力示意圖如圖4所示。

圖4 底板曲線鋼束徑向力示意圖

曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的徑向力可由下式表示：錯(cuò)誤！未找到引用源。

式中：q（x）為徑向力；Npe為鋼束有效張拉力；R為曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的彎曲半徑。

該橋130m主跨的合龍段縱向預(yù)應(yīng)力筋比較密，且所有的底板束都通過合龍段，且該處彎曲半徑最小，預(yù)應(yīng)力鋼束橫向間距較小，底板預(yù)應(yīng)力鋼束管道最小間距僅為6cm，底板厚度較小僅25cm，而波紋管中心距底板底緣的距離為11cm，底板預(yù)應(yīng)力束采用一次張拉錨固時(shí)，較大的徑向力導(dǎo)致底板開裂。

此外，該橋底板僅間隔60cm設(shè)置一道勾筋，未設(shè)置曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的防崩鋼筋在徑向力作用下，也無法有效限制底板縱向裂縫的發(fā)展。

根據(jù)分析驗(yàn)算成果，箱梁底板不能滿足規(guī)范要求，裂縫寬度超出限值。

4 加固措施研究

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的加固措施主要有：體外預(yù)應(yīng)力加固法、增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、裂縫封閉、橋面減載、更換鋪裝等方法。橋梁加固時(shí)應(yīng)對(duì)病害原因進(jìn)行分析后，辯證施治，采取合理有效的加固方法。

4.1 總體加固方案

針對(duì)該橋的實(shí)際情況，為改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能，減小腹板主拉應(yīng)力，提高上部結(jié)構(gòu)箱梁承載能力，總體上擬采用體外預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計(jì)方案，體外預(yù)應(yīng)力布置如圖5所示。

圖5 體外預(yù)應(yīng)力加固方案

各跨均采用8束15.24-15的預(yù)應(yīng)力鋼束，配合相應(yīng)的張拉、錨固錨具，張拉控制應(yīng)力為1209MPa。體外預(yù)應(yīng)力束采用沿箱梁底板和頂板分散布置的方案，利用墩頂橫隔梁張拉錨固。邊跨體外束采用墩頂一端張拉的方式，次邊跨及中跨的體外束采用兩端張拉的方式。轉(zhuǎn)向裝置采用后加轉(zhuǎn)向橫梁的形式，其它位置則在頂、底板設(shè)減震器。轉(zhuǎn)向橫梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。墩頂處體外預(yù)應(yīng)力筋交叉錨固。由于錨塊受力較大，需將兩個(gè)墩頂橫梁之間的部分用混凝土將兩個(gè)橫梁連接在一起，使兩個(gè)錨塊連成一個(gè)整體共同受力。

4.2 腹板加固

對(duì)于腹板斜裂縫，采用了增加腹板厚度的加固方法。將各跨6#～12#塊的腹板厚度由原來的40cm增厚至60cm，如圖6所示。

圖6 腹板加固措施示意圖

對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重斜裂縫的梁段，首先進(jìn)行灌縫處理，然后再在原腹板、頂板、底板植筋，布設(shè)腹板箍筋，最后澆筑加厚混凝土。加厚混凝土采用細(xì)骨料混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C50；箍筋采用HRB400鋼筋，直徑16mm，縱向間距15cm。

增加腹板厚度可以有效地解決腹板抗剪尺寸偏小的問題，增加的腹板抗剪鋼筋可顯著降低腹板的主拉應(yīng)力水平，加固效果明顯。且該方法對(duì)箱梁頂板、底板的影響較小，施工方便、簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，工期短。

4.3 頂板加固

對(duì)于頂板縱向裂縫，采用重做橋面混凝土鋪裝的加固方法。拆除原有鋪裝，現(xiàn)澆10cm厚的混凝土鋪裝層，涂抹防水層，然后鋪設(shè)5cm厚的瀝青混凝土作為面層，如圖7所示。

圖7 頂板加固措施示意圖

拆除原有橋面鋪裝后，首先用結(jié)構(gòu)膠封閉箱梁頂板裂縫，箱梁頂面植入直徑12mm的鋼筋，現(xiàn)澆10cm厚的混凝土鋪裝層，使箱梁頂板和鋪裝混凝土組成疊合梁共同受力。防水層的防水涂料統(tǒng)一采用PB（II）聚合物改性瀝青，材料性能應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《道橋用防水涂料》JC/T975的要求。最后鋪設(shè)5cm厚的細(xì)粒瀝青混凝土作為面層。

新做的橋面鋪裝和箱梁頂板組成疊合梁，有效地解決了頂板偏薄的問題，增加了頂板抗彎能力；兩層鋪裝之間施做防水層，可有效解決頂板滲水問題，同時(shí)瀝青鋪裝也可有效降低汽車的沖擊效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.4 底板加固

對(duì)于底板縱向裂縫，采用橫向張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固方法，如圖8所示。

圖8 底板加固措施示意圖

首先用結(jié)構(gòu)膠對(duì)底板裂縫進(jìn)行灌漿，然后采用橫向張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板的形式，提高其橫向連接剛度。預(yù)應(yīng)力碳纖維板型號(hào)為CFP100-20，寬度為100mm，厚度為2.0mm，縱向間距50cm，公稱頂壓力為160kN，共27束。

該方法屬于主動(dòng)加固，通過橫向預(yù)應(yīng)力可使原裂縫全部或部分閉合，能提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和耐久性，并能限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。該方法幾乎不增加結(jié)構(gòu)恒載，有良好的耐久性，施工工藝簡(jiǎn)單，但在底板下緣施工，操作不便，可采用檢測(cè)車或梁頂懸掛吊籃進(jìn)行施工。

5 結(jié)論

總之，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的裂縫問題可以說是“多發(fā)病”，裂縫的產(chǎn)生會(huì)影響構(gòu)件的外觀、結(jié)構(gòu)安全、使用壽命，行車的安全性。為了避免在橋梁工程施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，橋梁裂縫的維修加固務(wù)必引起足夠的重視。裂縫產(chǎn)生的原因極其復(fù)雜，涉及設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造、施工工藝等多個(gè)方面，這就要求我們分析裂縫的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，辯證施治，對(duì)癥下藥，進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，為裂縫病害橋梁應(yīng)采取有效的施工措施來切實(shí)提高橋梁工程的質(zhì)量，從而最優(yōu)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)。

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