先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板箱梁縱向裂縫分析與防治

文/戴秀平 廣東省南粵交通清云高速公路管理中心 廣東廣州 510101

我國高速公路建設(shè)現(xiàn)已實行“雙標(biāo)”（標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)桿）管理施工，施工過程嚴(yán)格落實“三集中”、“兩準(zhǔn)入”制度，即混凝土拌合集中、鋼筋加工集中、梁板預(yù)制集中和混凝土澆注模板準(zhǔn)入、隧道二襯臺車準(zhǔn)入制度，發(fā)揮工廠化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化施工的優(yōu)勢，構(gòu)件大批量生產(chǎn)，降低了預(yù)制成本，并且便于質(zhì)量控制，安全文明施工管理，也利于工期縮短，減少用地等，提高工程實體質(zhì)量和降低施工期安全事故的發(fā)生。前期高速公路建設(shè)在沒有實行“雙標(biāo)”管理施工，“三集中”、“兩準(zhǔn)入”制度之前，橋梁上部結(jié)構(gòu)廣泛采用了先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板箱梁，在橋梁施工完運營過程日常檢查維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，在部分空心板的底板中部常發(fā)現(xiàn)有縱、橫向裂縫，需及時維護(hù)或加固處理。

眾所周知，空心板的主要受力方向是縱橋向。在施工和使用過程中，由于預(yù)應(yīng)力及車輛活載的反復(fù)作用，空心板會產(chǎn)生縱橋向的彎矩等內(nèi)力，如果產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會發(fā)生板頂或者板底的橫向裂縫。縱向裂縫的產(chǎn)生原因是多方面的；其次，縱向裂縫對結(jié)構(gòu)的危害及影響公用安全和運營效率。下面以廣深高速高速公路東莞北大橋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板縱向裂縫的產(chǎn)生原因及危害進(jìn)行分析和探討。

廣深高速公路是聯(lián)系廣州、深圳、珠海的廣深珠高速公路的首期工程，1987年5月動工，1993年12月2日建成，1994年7月18日全線試通車，1997年7月1日正式通車營運。北起于廣州市黃村立交，與廣州環(huán)城高速公路北段相接，南止於深圳市皇崗口岸附近，與深圳皇崗路相接，雙向六線行車，全長122.8公里，寬33.1米，雙向6車道、全封閉、全立交，限速為120km/h。屬于G4和G15的一部分，從鶴州出入口至火村出入口的路段為G4和G15并線之路段。設(shè)計車流量為6萬輛次/日，但2012年數(shù)據(jù)顯示，平時日車流量就已達(dá)40萬輛次。

1、病害情況及對結(jié)構(gòu)的影響

發(fā)生縱向裂縫的板梁為主要有跨徑13m、16m的簡支及簡支變連續(xù)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。開裂現(xiàn)象僅發(fā)生在部分空心板，并且邊板開裂較多。裂縫產(chǎn)生于空心板底板的中部，多數(shù)裂縫貫穿了空心板全長，從支點一直延伸至跨中，直至另一支點。但是也有部分空心板裂縫并不連續(xù)，僅在局部開裂，而且跨中縱向開裂多，支點附近開裂少；也有的空心板發(fā)生多道縱向裂縫，相互交織。有的甚至將混凝土切割破碎，混凝土碎塊掉落，露出預(yù)應(yīng)力鋼絞線。多數(shù)裂縫寬度在0.112～0.132mm左右，部分較嚴(yán)重的裂縫寬度達(dá)0.135mm，大多數(shù)的裂縫寬度已經(jīng)超過《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件縱向裂縫寬度的規(guī)定值(0.120mm)。裂縫深度均已發(fā)展到預(yù)應(yīng)力筋位置，部分裂縫深度已經(jīng)貫通底板，發(fā)生漏水等情況。通過檢測證實，縱向開裂的梁其承載能力仍能夠滿足設(shè)計要求，但是個別裂縫較嚴(yán)重的梁的撓度、應(yīng)力值的校驗系數(shù)呈離散情況。這說明縱向裂縫對梁的承載能力影響不大，但較嚴(yán)重的裂縫會對梁體的整體性和剛度產(chǎn)生影響。裂縫的存在也會使混凝土受到損害，并且使鋼筋暴露在環(huán)境中，增加鋼筋受腐蝕的機(jī)率，從而會降低構(gòu)件的使用壽命。設(shè)計單位對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裂縫寬度、承載力等的常規(guī)驗算，結(jié)果表明空心板的承載能力滿足規(guī)范要求。

從施工、監(jiān)理資料來看，空心板的預(yù)制、存放、安裝施工過程并無明顯的違反施工規(guī)范的過錯。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)類似結(jié)構(gòu)的橋梁使用長時間后均會發(fā)生縱向裂縫。這說明這種先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的縱向裂縫是一種較為普遍的現(xiàn)象?？v向裂縫的發(fā)生必然與這種結(jié)構(gòu)本身的特性存在聯(lián)系，下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工兩方面分析裂縫發(fā)生的原因。

2、空心板結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

該類型空心板的設(shè)計荷載等級標(biāo)準(zhǔn)為汽車—超20級。鋼絞線采用ASTMA416-90a標(biāo)準(zhǔn)270級低松弛鋼絞線。13m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m，高55cm，中心挖空部分截面為35cm高的扁圓。16m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m，高70cm，中心挖空截面為直徑50cm的圓?？招陌宓捻敯搴穸葹?0cm ，底板厚度也是10cm。混凝土標(biāo)號為C50。據(jù)了解，為了防止芯模上浮及施工誤差導(dǎo)致頂板過薄，設(shè)計單位將其厚度由原來的8cm調(diào)至10cm，但是橫截面外輪廓尺寸基本沒有改變，因此，底板厚度由原來的12cm減小為10cm。與原設(shè)計相比，另一顯著變化是為了保證空心板通過截面驗算或增加安全儲備的目的，把空心板的混凝土標(biāo)號由原C40提高到C50。

3、空心板的施工情況

根據(jù)了解，發(fā)生開裂的空心板的預(yù)制施工及存放、吊裝過程，均依照規(guī)范要求進(jìn)行，并無特殊之處，只是出梁時間多為夏季，在預(yù)制施工中，有兩件事值得關(guān)注。一是空心板底板混凝土的施工質(zhì)量偏差。經(jīng)檢測，雖然空心板混凝土質(zhì)量合格，沒有明顯的澆注施工質(zhì)量缺陷，但是部分梁底板的混凝土看起來沒有其他橋梁上的底板平整光潔，似乎由振搗不充分所致。經(jīng)了解，由于采用C50混凝土，為了增加和易性，加快工期，添加了引氣劑、早強(qiáng)劑等添加劑。施工季節(jié)為夏季，施工中發(fā)現(xiàn)混凝土的坍落度損失很快。二是夏季預(yù)制空心板的預(yù)拱度明顯比其他季節(jié)預(yù)制的板要高。以16m板為例，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理提供的情況，高溫時期的梁放張后預(yù)拱度達(dá)到3cm左右，遠(yuǎn)高于設(shè)計提供的預(yù)拱度。而秋季預(yù)制的梁預(yù)應(yīng)力束放張后，預(yù)拱度約1cm，但是查看預(yù)應(yīng)力束張拉等施工記錄，并無其他明顯差別。

4、裂縫原因分析

由以上情況可以看出， 空心板縱向裂縫的發(fā)生有設(shè)計和施工兩方面的原因。多個工地，不同施工單位預(yù)制的空心板出現(xiàn)同樣的問題，這說明設(shè)計存在缺陷； 同時，僅僅部分空心板開裂，并且發(fā)生裂縫的情況有的較輕，有的對結(jié)構(gòu)會造成明顯影響，這說明施工質(zhì)量存在較大的離散性，與施工控制不嚴(yán)有關(guān)。采用C50混凝土，當(dāng)然能夠提高空心板的承載能力和安全儲備，但是卻給混凝土澆注施工帶來困難。在夏季混凝土澆注施工時，添加了各種外加劑的高標(biāo)號混凝土的坍落度損失較快，導(dǎo)致空心板的底板混凝土不密實，導(dǎo)致空心板混凝土施工質(zhì)量離散性大。減小底板的厚度，對空心板梁的整體承載能力并不降低。但是，從局部受力分析，它確實降低了底板的抗裂能力。

空心板縱向開裂，與施加預(yù)應(yīng)力的大小也有關(guān)系。夏季預(yù)應(yīng)力束張拉時，鋼絞線在暴曬下溫度可達(dá)60℃左右，但混凝土澆注時，按照施工規(guī)范要求溫度不能過高，在溫度差的作用下，鋼絞線收縮產(chǎn)生超過設(shè)計值的張拉力，致使空心板預(yù)拱度增加，空心板底板受力也增大，易于發(fā)生開裂。

另外施工過程中，由于先張法預(yù)應(yīng)力束放張時，鋼束的回縮會給混凝土施加強(qiáng)大的預(yù)壓力，在橫向可產(chǎn)生劈裂橫向拉應(yīng)力。如果預(yù)應(yīng)力放張過早，混凝土強(qiáng)度尚低，會產(chǎn)生縱向開裂。另外預(yù)應(yīng)力放張過快，梁體內(nèi)部應(yīng)變無法很快地達(dá)到平衡，發(fā)生應(yīng)變滯后，也會導(dǎo)致橫向拉應(yīng)力超限而開裂。另一方面， 如果施工未按照規(guī)范要求對稱均衡地放張，也會在截面橫向產(chǎn)生彎矩，應(yīng)力迭加超過限值后發(fā)生開裂。至于邊板開裂較多，是因為邊板截面不對稱，放張后截面上橫向彎矩比中板截面大，而尺寸與中板相近，所以邊板是薄弱環(huán)節(jié)，縱向開裂就會較多。

5、結(jié)論與防治建議

為避免此類型空心板的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，首先應(yīng)優(yōu)化設(shè)計。雖然結(jié)構(gòu)的設(shè)計通過常規(guī)的受力驗算，能夠滿足規(guī)范要求，但仍需要增加結(jié)構(gòu)應(yīng)對施工偏差的容錯性，減少發(fā)生質(zhì)量問題的機(jī)率。在施工方面，應(yīng)改進(jìn)混凝土施工工藝，保證混凝土的澆注質(zhì)量。并且規(guī)范預(yù)應(yīng)力放張工序的施工操作，嚴(yán)格按照規(guī)范要求，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，對稱、均衡、緩慢地放張，避免產(chǎn)生過大的橫向拉應(yīng)力，減少裂縫的發(fā)生機(jī)率。

對于已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，鑒于對空心板的整體受力性能影響不大 應(yīng)視其嚴(yán)重程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，主要目的是封閉裂縫，減少構(gòu)件受侵蝕的機(jī)會，消除裂縫對空心板使用壽命的影響。對于開裂較少的，可以采取注漿封閉措施?；炷了榱褔?yán)重的，可清除碎渣，注漿封閉裂縫后，可采用粘鋼包加固、包鋼加固、碳纖維加固予以補(bǔ)強(qiáng)，或者換板，消除后患。