預應力混凝土現(xiàn)澆橋梁幾種裂縫成因及防治措施

李 斌

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510101)

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預應力混凝土現(xiàn)澆橋梁幾種裂縫成因及防治措施

李 斌

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510101)

介紹了預應力混凝土現(xiàn)澆橋梁常見的四種裂縫，針對各種裂縫的特點，分析了不同裂縫的產(chǎn)生原因，并提出了相應的防治措施，有利于提高預應力混凝土現(xiàn)澆橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。

現(xiàn)澆橋梁，結(jié)構(gòu)裂縫，腹板，頂板，質(zhì)量控制

現(xiàn)澆預應力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)裂縫影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性。橋梁結(jié)構(gòu)裂縫種類繁多，各種不同的裂縫的形態(tài)、出現(xiàn)部位、發(fā)展規(guī)律不同，產(chǎn)生的原因也不盡相同，對結(jié)構(gòu)的影響程度不一，因而防治方法也不一樣，必須針對其成因采取相應的防治措施。

1 腹板斜裂縫

1.1 裂縫特點

腹板斜裂縫屬結(jié)構(gòu)裂縫。腹板斜裂縫一般首先發(fā)生在剪應力大而截面抗剪能力不足的區(qū)域，集中在1/8跨～3/4跨之間，其中距支座L/4附近腹板斜裂縫數(shù)量較多，裂縫開展寬度一般在0.1 mm～0.5 mm之間,與梁軸線呈25°～50°開裂。隨時間的推移，斜裂縫不斷向受壓區(qū)發(fā)展，數(shù)量增加，裂縫區(qū)向跨中方向發(fā)展。斜裂縫的另一個特征是箱內(nèi)腹板斜裂縫要比箱外腹板斜裂縫嚴重(見圖1)。

1.2 裂縫成因分析

腹板斜裂縫產(chǎn)生的根本原因是腹板混凝土主拉應力值超過混凝土抗拉極限強度導致開裂，從設(shè)計、施工到最后成橋的營運階段，都存在著很多使得腹板所受的主拉應力增大的因素，且往往不是由某一單一因素引起，主要受如下幾個方面的影響：

1)設(shè)計方面考慮不足。橋梁采用箱形截面，扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變會使腹板中的剪應力加大，從而增大主拉應力。過去大跨徑梁橋出現(xiàn)較多斜裂縫，重要原因之一是沒有進行三維受力分析，不考慮橫向應力的影響，必然使計算的主拉應力值偏小。

2)腹板主拉應力對預應力筋布設(shè)方式及豎向預應力大小影響非常敏感。現(xiàn)澆梁設(shè)計一般采用縱向彎起束或增設(shè)豎向預應力束的方式來提高梁體抗剪和增加腹板豎向預壓應力儲備。豎向預應力的大小對腹板主拉應力影響較大，計算表明，當豎向有效預應力僅為張拉控制力的30%,0%時，與有效預應力按50%考慮相比，腹板主拉應力分別增大40%和100%。

3)豎向預應力體系及施工質(zhì)量控制問題。傳統(tǒng)的豎向預應力設(shè)計施工中，采用的是精軋螺紋鋼YGM錨固體系來提供豎向預應力，該體系存在較大的缺陷：a.張拉放張時回縮損失大；b.該預應力體系為剛性體系，對施工安裝錨固螺母、預應力粗鋼筋、錨墊板三者安裝精度要求相當高，極易造成放張時錨固螺母擰不到位而導致永存預應力不足；c.張拉易發(fā)生斷束，難以補救；d.壓漿質(zhì)量難以控制，壓漿不飽滿造成截面削弱。也有采用傳統(tǒng)錨具預應力鋼絞線作為豎向預應力的，但由于預應力筋長度短，仍存在錨固回縮值較大造成結(jié)構(gòu)永存豎向預應力值不足的問題。

1.3 防治措施

從上述分析結(jié)果看出，豎向預應力的大小是影響腹板斜裂縫的關(guān)鍵因素之一，解決問題的關(guān)鍵就是要確保結(jié)構(gòu)永存豎向預應力值。

1.3.1 設(shè)計措施

1)設(shè)計過程應該進行三維分析，充分考慮扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變、日照溫度等因素的影響，計算各種作用對箱梁主拉應力的影響，合理布置預應力束，使腹板剪應力在縱向和豎向預壓力作用下產(chǎn)生的主拉應力不致過大。

2)方案措施。采用波形鋼腹板結(jié)構(gòu)，用波形鋼腹板替代混凝土腹板，提高腹板抗剪承載力和抗裂性能。波形鋼腹板箱梁典型截面圖見圖2。

1.3.2 工藝措施

從豎向預應力體系方面來解決是一種非常有效的方法。

二次張拉鋼絞線預應力筋(如圖3所示)是一種新型預應力體系，能從根本上解決該問題，該體系具有如下特點：

1)采用二次張拉工藝。第一次張拉鋼絞線，使錨杯內(nèi)的夾片夾緊預應力筋；第二次張拉錨杯，直至設(shè)計張拉力后，擰緊錨杯外螺母固定。通過二次張拉，極大程度地減小了張拉回縮損失，從根本上解決了短束預應力筋放張后由于夾片回縮值較大而降低了預應力效率的問題。實測表明，二次張拉錨固回縮值能控制在1 mm以內(nèi)，以5 m長的鋼絞線為例，經(jīng)二次張拉后，回縮損失由24%降為5%。

2)試驗證明，采用該型預應力體系，豎向預應力終值損失可以控制在20%以內(nèi)。

3)采用柔性索體系，張拉過程易控制，有效減少了斷束情況。

1.3.3 施工質(zhì)量控制

在良好的設(shè)計和工藝的基礎(chǔ)上，施工質(zhì)量控制是關(guān)鍵。

1)混凝土質(zhì)量。應特別注意混凝土強度、密實、分層澆筑時間控制。

2)預應力施工。a.管道定位一定要準確，與設(shè)計一致；b.豎向預應力張拉質(zhì)量控制是關(guān)鍵，無論采用何種豎向預應力體系，結(jié)構(gòu)永存豎向預應力必須予以保證，而對于豎向預應力筋長度較短，關(guān)鍵是要采取措施減少錨固回縮值；c.管道壓漿必須飽滿，減少對截面的削弱。

2 變截面梁底板縱向崩裂

2.1 裂縫形態(tài)及特點

該類裂縫為結(jié)構(gòu)受力裂縫。一般在變截面連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋合龍后張拉底板束的時候出現(xiàn)，最初在底板沿鋼束布設(shè)方向出現(xiàn)縱向裂縫，隨著張拉力不斷增加，底板混凝土局部出現(xiàn)崩裂、掉塊現(xiàn)象，情況嚴重的會發(fā)生底板整層沿著波紋管水平面崩裂現(xiàn)象。

工程實際中也發(fā)現(xiàn)，有的橋梁在施工過程中已經(jīng)發(fā)生了輕微崩裂和層間剝離現(xiàn)象，但外觀上無明顯征兆而未進行處理，在通車幾年才會出現(xiàn)底板崩裂(見圖4)、掉塊的現(xiàn)象。

2.2 裂縫成因分析

該類裂縫出現(xiàn)在變截面連續(xù)梁或者連續(xù)鋼構(gòu)橋底板，因底板預應力鋼束與橋梁底板在立面內(nèi)存在一定的曲率，正是由于這種曲率的存在，沿波紋管縱向方向存在徑向力(見圖5)。

該徑向力作用下，底板橫向跨中及梗肋處產(chǎn)生彎矩，波紋管道下部混凝土到局部受沖切力。如果結(jié)構(gòu)底板抗力不足，就會發(fā)生受力破壞：底板跨中出現(xiàn)受彎拉應力裂縫、梗肋處呈剪切破壞形態(tài)、底板波紋管底部混凝土呈沖切破壞形態(tài)并伴隨波紋管與底板上部混凝土剝離現(xiàn)象。

以某128 m跨連續(xù)梁為例，底板跨中配束26束φ15.24-15縱向預應力筋，豎彎半徑R=380 m，等效荷載q=N/R=7.65 kN/m，采用平面框架法計算得到，底板跨中、底板梗肋處的混凝土拉應力達3.2 MPa和5.54 MPa。

2.3 防治措施

1)設(shè)計方面。

a.設(shè)計時底板盡量采用平緩的曲線，且盡量減少底板預應力束預應力的噸位。

b.加強設(shè)計驗算。一是需對底板徑向力效應進行專項分析計算；二是底板橫向正截面配筋、斜截面配筋設(shè)計要進行驗算；三是孔道間距布設(shè)形式應進行比選，控制最小間距；四是波紋管底部混凝土局部抗沖切驗算，設(shè)置有效的防崩鋼筋、勾筋等措施筋。

c.施工過程中，加強設(shè)計交底和對施工單位的指導，確保設(shè)計意圖貫徹到施工中。

2)加強施工質(zhì)量控制。

a.嚴格按圖施工，施工過程中嚴格控制管道定位、底板厚度和線型、防崩鋼筋及勾筋的數(shù)量和位置。

b.混凝土達到凝期和強度后再進行張拉，在張拉過程中應注意巡查，發(fā)現(xiàn)問題應立即停止施工，并采取相應的補救措施進行處理。

3 節(jié)段懸臂澆筑梁底板縱向裂縫

3.1 裂縫形態(tài)及特點

部分節(jié)段懸臂澆筑施工預應力混凝土箱梁，在掛籃模板前移后，即可發(fā)現(xiàn)底板縱向裂縫(見圖6)，并呈一定的規(guī)律性：1)自節(jié)段根部向自由端延伸；2)底板靠跨中的裂縫基本為順橋向方向，靠近底板邊部裂縫端部往兩側(cè)稍微傾斜；3)在靠近0號塊的節(jié)段，階段內(nèi)裂縫數(shù)量相比靠跨中節(jié)段要多；4)大部分裂縫寬度小于0.15 mm，裂縫上下貫通，有白色鈣化物析出。

3.2 裂縫產(chǎn)生的原因

該類裂縫主要為混凝土在溫降和收縮過程受到約束造成的。后澆節(jié)段混凝土在橫橋向方向受到先澆段的混凝土約束作用不能自由收縮，導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應力超過混凝土抗拉強度而開裂,通過以下算例進行簡化計算：

底板受約束溫縮和干縮影響的計算模型可以簡化如圖7所示。

1)計算混凝土水化熱絕對溫升值。如采用425號普通硅酸鹽水泥，每立方水泥用量為300 kg，在混凝土養(yǎng)生過程中絕對升溫值為(假定水泥水化熱在7 d基本釋放)：Tmax=(W·Q)/(c·γ)=(300×300×103)/(0.96×103×2 400)=39.06 ℃。其中，W為每立方米水泥用量,kg/m3;Q為水泥水化熱，取300×103J/kg;c為混凝土比熱，取0.96×103J/(kg·℃);γ為混凝土比重，kg/m3。

2)計算混凝土養(yǎng)護降溫值。假設(shè)環(huán)境溫度15 ℃，混凝土入模溫度為30 ℃。則混凝土總溫降值:T1=30+39.06-15≈54 ℃。

3)計算混凝土收縮當量溫差。采用王鐵夢公式進行近似計算7 d拆模時的收縮變形，則收縮當量溫差為:T2=ε(7)/α=8.85×10-5/10-5=8.85 ℃。

4)計算總溫降值：T=T1+T2=54+8.85=62.85 ℃。

5)約束端中部約束應力近似計算：σ=E(t)αT=3.45×104×(1-e-0.09×t)×10-5×62.85 =5.40 MPa>混凝土極限拉應力，故導致混凝土開裂。

3.3 防治措施

該類型裂縫主要是由混凝土水化熱和干縮受約束造成，要解決該問題主要從控制水化熱、控制養(yǎng)護溫差方面著手解決。

1)優(yōu)化混凝土配比，減少水泥用量。2)控制混凝土入模溫度，在拌合進料時就應控制水泥、骨料、水的溫度，如高溫季節(jié)施工可考慮采取加冰等措施降低混凝土入模溫度。3)加強養(yǎng)護，可通過增設(shè)冷凝管等措施控制養(yǎng)護時絕對升溫值。4)盡量減少節(jié)段間施工間隔時間，以減少節(jié)段間不同凝期混凝土收縮差。5)在底板配筋時，滿足結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造配筋率要求的前提下，優(yōu)先選用較小直徑的鋼筋，部分板較厚節(jié)段可考慮配防裂鋼筋網(wǎng)。

4 現(xiàn)澆梁頂板橫向裂縫

4.1 裂縫形態(tài)及特點

一般的現(xiàn)澆預應力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)采用分次澆筑施工，第一次澆筑底板及腹板，然后立頂板模板和綁扎頂板鋼筋澆筑頂板。該類裂縫一般出現(xiàn)在分次澆筑的混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)的頂板部位。一般在頂板拆模后即發(fā)現(xiàn)頂板橫向裂縫，裂縫為橫橋向方向分布，從腹板頂部(第二次澆筑的施工縫處)開始向箱梁內(nèi)側(cè)、翼緣板發(fā)展，但很少沿腹板向下發(fā)展，平均寬度一般小于0.1 mm，一般縱向間距為1.5 m～2 m左右，分布較均勻，貫穿裂縫，但部分裂縫在縱向預應力張拉后能閉合。

4.2 裂縫形成原因分析與防治措施

該類型裂縫成因與節(jié)段施工底板縱向裂縫成因是一致的。因底板和腹板先澆筑，對頂板在縱橋向形成較強的約束，溫縮和干縮受約束導致開裂。其防治措施也與前一類型裂縫大體一致，主要從施工方面采取措施進行解決，由于一般頂板一次澆筑長度較長，“長板效應”比底板縱裂縫更為明顯，應注重控制凝期差和頂板的養(yǎng)護。預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁頂板縱向裂縫示意圖見圖8。

5 結(jié)語

1)腹板斜裂縫產(chǎn)生的根本原因是腹板混凝土主拉應力值超過混凝土抗拉極限強度導致開裂，設(shè)計應充分考慮扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變、日照溫度等因素的影響，采用波形鋼腹板替代混凝土腹板可根本解決腹板斜裂縫問題。但對于混凝土梁，應從豎向預應力方面著手解決，研究表明，采用低回縮二次張拉豎向預應力錨具豎向預應力終期損失可控制在張拉控制力的20%左右，能有效地保證腹板豎向預應力值，從而使腹板抗裂性能得到提高。2)變截面混凝土預應力混凝土梁底板崩裂的原因是底板結(jié)構(gòu)受曲線預應力束產(chǎn)生的徑向力作用，發(fā)生底板結(jié)構(gòu)受力破壞。設(shè)計方面應對徑向力予以充分考慮并做好局部驗算。底板防崩鋼筋、底板上下層勾筋是保證混凝土上下層鋼筋協(xié)同受力的核心措施，施工中必須按圖實施，防止偷工減料。3)對于有先后澆筑次序的混凝土結(jié)構(gòu)，先澆筑部分混凝土會對后澆筑部分的混凝土產(chǎn)生約束，后澆混凝土因溫降和收縮的變形受到約束后產(chǎn)生約束應力，導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。該類裂縫問題應主要從降低混凝土水化熱和降低混凝土養(yǎng)護時的溫度著手解決，同時，減少凝期差也可減少裂縫。

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[2] JTG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 李 斌.二次張拉鋼絞線技術(shù)應用于箱梁腹板豎向預應力的研究[D].長沙:湖南大學,2009.

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[5] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

Several crack causes and prevention measures of pre-stressed concrete cast-in-place beam

Li Bin

(Guangdong Nanyue Traffic Investment Construction Limited Company, Guangzhou 510101, China)

This paper introduced four kinds of common cracks in pre-stressed concrete cast-in-place beam, according to the characteristics of various kinds of cracks, analyzed the causes of different cracks, and put forward some corresponding prevention measures, conducive to improve the safety and durability of pre-stressed concrete cast-in-place beam structure.

cast-in-place bridge, structural crack, web, roof, quality control

1009-6825(2017)12-0144-03

2017-02-13

李 斌(1983- )，男，碩士，工程師

U445.71

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