預(yù)應(yīng)力混凝土T梁裂縫成因分析與處理

楊振華

摘要：分析了預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁裂縫產(chǎn)生的原因、機(jī)理和危害，提出了裂縫的處理方法。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；T梁；裂縫成因

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋是我國應(yīng)用數(shù)量最廣泛的一種橋型，在我國鐵路大建設(shè)中起到了極其重要的作用。隨著國民經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，我國鐵路上有數(shù)量眾多的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋。雖然該種T梁具有優(yōu)良的使用性能以及耐久性，但近年來卻不斷發(fā)現(xiàn)腹板存在裂縫。本文結(jié)合石長鐵路沅水特大橋?yàn)閷?shí)例，對引橋T梁腹板出現(xiàn)的縱向裂縫、斜向裂縫、直向裂縫及應(yīng)對措施進(jìn)行探討。

一、工程概況

石長鐵路沅水特大橋中心里程為石長鐵路K92+566，位于石長線常德東站與德山站之間，主跨為2～62m+5～96m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，引橋?yàn)?2m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁，共計(jì)93孔（北引橋64孔，南引橋29孔），橋梁設(shè)計(jì)荷載為“中—活載”。引橋橋墩為矩形截面混凝土板式墩，樁基礎(chǔ)。橋長3682.93m，橋上線路為曲線。橋梁于1994年開工，1996年竣工。運(yùn)營十來年中，多孔32m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁混凝土表面出現(xiàn)龜裂狀裂縫及直線裂縫，沿預(yù)應(yīng)力管道方向出現(xiàn)縱向裂縫，梁端出現(xiàn)斜豎向裂縫。筆者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方面分析探討裂縫產(chǎn)生的原因，并提出修補(bǔ)方案。

二、裂縫類型

經(jīng)現(xiàn)場查勘，發(fā)現(xiàn)石長鐵路沅水特大橋主要裂縫類型有以下三大類： 1）混凝土表面成龜裂狀裂縫及直線裂縫；2）沿預(yù)應(yīng)力管道方向的裂縫；3）梁端斜豎向裂縫。

三、裂縫成因分析

混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的原因很多，涉及構(gòu)造設(shè)計(jì)、原材料質(zhì)量、混凝土自身固有特性、施工和使用環(huán)境及管理等各個(gè)方面，裂縫的產(chǎn)生往往是以上原因的綜合。筆者對石長鐵路沅水特大橋的T梁腹板出現(xiàn)的裂縫現(xiàn)象，進(jìn)行了分析和會(huì)診。影響因素及原因概括如下。

1.混凝土表面成龜裂狀裂縫及直線裂縫

由于收縮所引起的混凝土裂縫是最為常見的。有些有規(guī)則的直線裂縫屬于溫度裂縫，例如該橋上翼緣板上的斜裂縫。混凝士受水泥水化放熱、陽光照射、夜間降溫等因素影響而出現(xiàn)冷熱變化時(shí)，將發(fā)生收縮和膨脹，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生裂縫。可以初步推斷是由于水化熱過大引起的溫度裂縫。由于水化熱作用，使混凝土內(nèi)部與外表面溫差過大，這時(shí)內(nèi)部混凝土受壓應(yīng)力，表面混凝土受拉應(yīng)力。由于混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，表面拉應(yīng)力可能先達(dá)到并超過混凝土抗拉強(qiáng)度，而產(chǎn)生間距大致相等的直線裂縫（ 稱溫差裂縫） ，該橋的上翼緣板上的斜裂縫形態(tài)正是如此。

2.沿預(yù)應(yīng)力管道方向的裂縫

2.1 預(yù)應(yīng)力管道壓漿后受凍膨脹。預(yù)應(yīng)力管道壓漿時(shí)或壓漿后如梁體保溫措施采取不力，當(dāng)環(huán)境溫度低于 0 ℃時(shí)，極易造成管道內(nèi)的壓漿液受凍膨脹，使梁體混凝土在與管道垂直方向的薄弱斷面上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力與縱向預(yù)壓應(yīng)力因泊松效應(yīng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力產(chǎn)生疊加圈，當(dāng)此拉應(yīng)力達(dá)到了混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域混凝土纖維發(fā)生斷裂，造成管道內(nèi)壁出現(xiàn)初始裂縫。當(dāng)拉斷的纖維退出工作后，緊靠斷裂區(qū)的混凝土拉應(yīng)力激增，從而導(dǎo)致新的混凝土纖維出現(xiàn)斷裂，裂縫逐步由管道內(nèi)壁向混凝土表面擴(kuò)展，直至最后到達(dá)梁體表面。

經(jīng)現(xiàn)場查閱沅水特大橋的張拉時(shí)間和壓漿日期。該橋建設(shè)期均屬于南方的春天，天氣比較好，氣溫比較高，故可排除是預(yù)應(yīng)力管道壓漿后受凍膨脹影起的裂縫。

2.2 混凝土強(qiáng)度。沅水特大橋施工工藝采用后張法。如果預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，混凝土強(qiáng)度低，產(chǎn)生縱向開裂。沅水特大橋混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為500號(hào)混凝土，強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)于C48。經(jīng)現(xiàn)場對該橋的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，得出混凝土強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)要求，故可排除是因混凝土強(qiáng)度低產(chǎn)生的裂縫。

2.3 預(yù)應(yīng)力及管道。首先對T梁沿預(yù)應(yīng)力管道方向的縱向裂縫受力分析。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)這種梁的裂縫往往出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力筋張拉后，也就是說預(yù)應(yīng)力使梁產(chǎn)生的裂縫，有裂縫存在那么一定有一個(gè)與裂縫方向垂直的力存在，而這種梁一般為曲線型預(yù)應(yīng)力管道，彎曲部分的管道內(nèi)壁上緣將對預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生徑向壓力P，截取管道曲線部分的微分段，設(shè)曲率半徑為常數(shù)r，P和τ分別為單位長度預(yù)應(yīng)力束所受的法向壓應(yīng)力和摩擦力，N為預(yù)拉力，μ為鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)，τ=pμ。將各力投影到x和y軸上，有平衡方程式（1）～（2）

（1）

（2）

由于當(dāng)[dθ]→0時(shí)，，略去高階微量，所以由式（1）～（2），得式（3）～（4）；

（3）

（4）

由式（4）可知：管道內(nèi)壁對預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生徑向壓力為p，那么預(yù)應(yīng)力束對管道內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力為-p，預(yù)應(yīng)力束對管道內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力與該處預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)拉力N成正比，與預(yù)應(yīng)力筋的曲率半徑r成反比。當(dāng)由徑向壓力-p產(chǎn)生的對混凝土的壓應(yīng)力大于混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土產(chǎn)生裂縫。裂縫多沿肋上部的預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生，這正是由于該預(yù)應(yīng)力束的曲率半徑r較小，而各束的N是相同的，所以p相對較大。

按式（4）對前面提到的新橋T梁底板側(cè)邊中部預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行計(jì)算（該束的曲率半徑r最?。?，見式（5）～（6）。在這里，忽略管道摩阻力對張拉力N的影響，設(shè)混凝土所受的徑向壓應(yīng)力為p，因?yàn)槊渴A(yù)應(yīng)力束由5根鋼絞線組成，所以近似的取2根鋼絞線的直徑和作為鋼絞線束與管道的接觸寬度L，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取沅水特大橋鋼絞線束的曲率半徑r=12m，鋼絞線的張拉控制應(yīng)力取為1395MPa，C50混凝土的軸心抗拉極限強(qiáng)度=3.10MPa。

由式（7）可知，混凝土所受拉應(yīng)力為混凝土的極限軸心抗拉強(qiáng)度的86%，也就是說如果管道的曲率半徑減小14% 或預(yù)應(yīng)力超張拉超過14%，使預(yù)應(yīng)力管道處混凝土所受的拉應(yīng)力超過混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，那么都將產(chǎn)生沿肋部頂端預(yù)應(yīng)力管道方向的裂縫，有時(shí)沿其他管道也可能有裂縫產(chǎn)生，而且這種裂縫是難以閉合的。

因此，預(yù)應(yīng)力管道位置的偏差和預(yù)應(yīng)力的張拉力過大是引起這種裂縫的主要原因。水泥漿配合比中，過多的水泥用量導(dǎo)致混凝土水化熱較高，熱量過多地囤積在預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)得不到釋放，導(dǎo)致梁底或腹板與下翼緣交界處沿預(yù)應(yīng)力孔道方向開裂。

四、裂縫處理

裂縫是大型鋼筋混凝土構(gòu)件的質(zhì)量通病。在修復(fù)方案的選擇上，應(yīng)綜合考慮，以免因前期方案選擇不當(dāng)，而給結(jié)構(gòu)安全或后期維修處理帶來不利影響。根據(jù)裂縫類型，建議處理方法如下。

1.混凝土表面成龜裂狀裂縫及直線裂縫

此類裂縫不影響結(jié)構(gòu)使用安全、使用功能，但影響結(jié)構(gòu)的耐久性。對于混凝土表面成龜裂狀裂縫及直線裂縫，稍窄的裂縫采用了涂刷樹脂封閉膠的方法進(jìn)行封縫處理；稍寬（0.1～0.15 mm）的裂縫則采取了較為保守的方案，以環(huán)氧樹脂漿為主要灌縫膠材料對裂縫進(jìn)行灌漿處理。裂縫處理完畢并經(jīng)適當(dāng)養(yǎng)護(hù)后，用超聲波檢測，結(jié)果與同條件下無裂縫混凝土無明顯差別。在T梁處理后，應(yīng)長期監(jiān)測裂縫變化情況，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠。

2.沿預(yù)應(yīng)力管道方向的裂縫

此類裂縫明顯影響了梁的承載能力，隨著裂縫的擴(kuò)展和延伸，鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變量增大，梁剛度大大降低，構(gòu)件趨向破壞。此類裂縫必須及早采取加固補(bǔ)強(qiáng)，以滿足結(jié)構(gòu)安全需要。對于此類裂縫的處理，首先對其進(jìn)行環(huán)氧樹脂壓漿處理，后建議采用黏貼加固法。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋平原，楊國訓(xùn).談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土T型梁裂縫成因及預(yù)防措施[J].山西建筑，2014，25.

[2]劉思維.預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁端部裂縫成因分析[J].城市道橋與防洪，2014，06.