預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋頂板縱向裂縫研究

王柳

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210000）

1 引言

作為常見結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁橋具有抗扭剛度大、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在大跨徑橋梁橋型選擇中具有較大的優(yōu)勢。作為混凝土結(jié)構(gòu)，使用過程中暴露出不少問題，尤其是裂縫問題最為突出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，所有混凝土箱梁存在不同程度的裂縫。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的自身性質(zhì)，混凝土均是帶縫工作，但是關(guān)鍵部位裂縫的存在和發(fā)展，對(duì)于結(jié)構(gòu)的承載能力造成較大程度的影響，伴隨有鋼筋銹蝕、保護(hù)層脫落、混凝土碳化和耐久性降低等病害，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營和服役壽命造成較大的影響【1，2】。針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在服役過程中的裂縫問題，國內(nèi)外專家和學(xué)者展開了相關(guān)研究，然而據(jù)可查文獻(xiàn)，當(dāng)前針對(duì)裂縫原因機(jī)理、處理方案僅局限在定性分析，相關(guān)處理方法的研究仍處于初級(jí)研究階段【3】。本文在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋外觀調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了箱梁頂板縱向裂縫的性質(zhì)，并從設(shè)計(jì)和施工2 個(gè)方面進(jìn)行了裂縫成因分析，最后提出了針對(duì)性的預(yù)防處治措施。本文系統(tǒng)研究了裂縫的成因和預(yù)防處治措施，對(duì)于連續(xù)梁橋的健康安全服役提供一定的保障作用。

2 工程概況

某連續(xù)梁橋，跨徑布置為70m+120m+70m，分左右2 幅設(shè)置。箱梁支點(diǎn)處截面梁高為7.13m，跨中截面梁高為2.7m，單幅箱梁頂板寬度為12.7m，底板寬度為7.1m，翼緣板懸臂長度為2.8m。橋梁縱向布置見圖1，箱梁截支點(diǎn)/跨中截面示意見圖2。

圖1 橋梁縱向布置圖（單位：cm）

圖2 箱梁支點(diǎn)/跨中截面示意圖（單位：cm）

3 裂縫特征調(diào)查分析

根據(jù)JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，針對(duì)本項(xiàng)目橋梁上部結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)箱梁頂板存在不同程度的裂縫問題，箱梁頂板典型裂縫照片見圖3。

圖3 箱梁頂板典型裂縫布置圖

根據(jù)全橋頂板縱向裂縫調(diào)查分析，裂縫存在以下規(guī)律：

1）裂縫多發(fā)于相對(duì)先澆段，向懸澆段自由端處寬度逐漸減小，甚至消失；

2）合龍段頂板的裂縫相較其他懸澆段，寬度更大，長度更長；

3）所有裂縫寬度均較小，寬度最大不超過0.12mm。

4 裂縫成因分析

鑒于箱梁頂板裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性和承載能力具有較大的影響，需要對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行加固處理。首先需要對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，然后采取針對(duì)性的處治措施。以下針對(duì)設(shè)計(jì)和施工2 方面的因素對(duì)裂縫形成機(jī)理進(jìn)行分析。

4.1 設(shè)計(jì)方面

針對(duì)箱梁頂板裂縫形成機(jī)理，主要是由于箱梁頂板有效截面不足、泊松效應(yīng)和普通鋼筋配筋率不足等原因，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1.1 箱梁頂板有效截面不足

1）橫向預(yù)應(yīng)力布置

根據(jù)橋梁幾何尺寸調(diào)查顯示，箱梁頂板寬度為12.7m，底板寬度為7.1m，翼緣板的懸臂長度為2.8m，為了平衡上部恒載、活載在頂板翼緣板根部的負(fù)彎矩和頂板中軸線處正彎矩，采用橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。由于箱梁頂板中軸線處較薄，橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置進(jìn)一步削弱了頂板厚度，對(duì)于跨中部位的正彎矩而言顯然是不利的。由于橫向預(yù)應(yīng)力采用φS15.2mm 鋼絞線，縱向間距為1.0m，造成箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力分布相對(duì)不均，容易在預(yù)應(yīng)力效應(yīng)薄弱處產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過混凝土拉應(yīng)力從而在箱梁頂板產(chǎn)生裂縫。

2）縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，該橋跨中位置箱梁頂板厚度較薄，僅為28.0cm，由于橋梁采用懸臂澆筑的方式施工，因此，沿頂板縱向預(yù)留了大量的預(yù)應(yīng)力孔道。雖然在設(shè)計(jì)中采用抽真空的方式進(jìn)行壓漿作用，但是很難做到壓漿飽滿，同時(shí)，注漿材料的強(qiáng)度無法與頂板混凝土強(qiáng)度相比，無法保證箱梁頂板留有足夠的抗壓截面，大大削弱了箱梁頂板的有效抗壓面積，造成頂板因壓應(yīng)力超限產(chǎn)生裂縫。

4.1.2 縱向預(yù)應(yīng)力的泊松效應(yīng)

根據(jù)連續(xù)梁橋懸臂澆筑工藝流程，橫向預(yù)應(yīng)力張拉是在縱向預(yù)應(yīng)力張拉完成且掛籃移動(dòng)完畢后進(jìn)行的。由于橋梁跨徑較大，為了平衡懸臂端在箱梁支點(diǎn)附近產(chǎn)生的負(fù)彎矩，頂板中設(shè)計(jì)了較多的縱向預(yù)應(yīng)力，且張拉噸位相對(duì)較大，混凝土材料的泊松效應(yīng)使得箱梁橫向變形較大?？紤]到縱向預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)的混凝土齡期較短，多為6～7d，雖然混凝土強(qiáng)度達(dá)到了張拉要求，但彈性模量并不能保證達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此，箱梁在縱向預(yù)應(yīng)力作用下存在較大的橫向變形。根據(jù)連續(xù)梁橋懸臂澆筑工序，在縱向預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，橫向預(yù)應(yīng)力并未施加，因此，在上述2 種因素的耦合作用下，較大的箱梁頂板橫向變形是頂板縱向裂縫的主要誘導(dǎo)因素之一【4】。

4.1.3 非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率不足

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋而言，由于頂板尺寸有限，加上橫向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)，普通鋼筋預(yù)留的空間受到了較大程度的擠壓，使得箱梁頂板非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率較低，頂板容易因配筋率較低產(chǎn)生縱向裂縫。

4.2 施工方面

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂板產(chǎn)生縱向裂縫，施工方面影響因素較多，主要有齡期差異、施工階段受力差異和施工工藝等方面的原因，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.2.1 齡期差異

由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的懸臂澆筑工藝，相鄰兩塊梁段至少存在9d 的齡期差異。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)而言，收縮徐變與齡期存在較為密切的關(guān)系，尤其是凝結(jié)初期，混凝土收縮變形發(fā)展較為迅速，14d 左右可以完成全部收縮量的25%，30d 左右可以達(dá)到50%。鑒于相鄰梁段之間的齡期差異，后澆段梁段的收縮量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于先澆梁段，由于先澆段與后澆段之間的耦合連接作用，使得后澆段的收縮受到先澆段的限制，從而產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離先澆段的混凝土受到的影響較小，產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對(duì)較小，這也是縱向裂縫寬度向自由端逐漸減小的原因。對(duì)于合龍段而言，無論是邊跨合龍段還是中跨合龍段，其準(zhǔn)備時(shí)間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸澆梁段，尤其是中跨合龍段，這也與合龍段頂板裂縫無論是數(shù)量還是寬度均較普通懸澆段嚴(yán)重的結(jié)論相吻合【5】。

4.2.2 施工階段受力差異

對(duì)于連續(xù)梁橋采用懸臂澆筑施工時(shí)，其在懸臂澆筑階段和成橋階段下，恒載作用產(chǎn)生的彎矩是完全不同的，具體見圖4。如果在施工過程中產(chǎn)生較大的施工誤差，則會(huì)由于強(qiáng)制合龍?jiān)斐奢^大的跨中彎矩，從而造成縱向彎曲裂縫。

圖4 連續(xù)梁不同階段的彎矩圖

4.2.3 施工工藝方面

由于連續(xù)梁橋的現(xiàn)場懸臂澆筑，因此在現(xiàn)場混凝土振搗過程中，振搗不當(dāng)、漏振和過振均會(huì)對(duì)混凝土的密實(shí)性和均勻性造成較大的影響，這也是裂縫產(chǎn)生的誘導(dǎo)原因之一。由于混凝土澆筑過程中，水化熱造成的內(nèi)外部溫差均會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生表面裂縫。

5 裂縫的控制措施

箱梁頂板裂縫的存在使得橋面板的橫向剛度極大地減小，因此，在活載作用下容易造成裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，造成內(nèi)部鋼筋的銹蝕，鋼筋銹脹進(jìn)一步加劇裂縫擴(kuò)展。裂縫與鋼筋銹蝕的耦合作用會(huì)大大降低橋梁的安全性和服役壽命，因此，應(yīng)根據(jù)裂縫成因分析從設(shè)計(jì)和施工2 個(gè)方面進(jìn)行裂縫控制。

5.1 設(shè)計(jì)方面預(yù)防措施

根據(jù)連續(xù)梁橋箱梁頂板由于設(shè)計(jì)因素產(chǎn)生裂縫的原因分析，建議采取以下措施進(jìn)行裂縫的預(yù)防處理。

5.1.1 優(yōu)化預(yù)應(yīng)力筋布置

根據(jù)連續(xù)梁橋懸臂澆筑階段的受力情況，在箱梁頂板合理增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋和豎向預(yù)應(yīng)力筋，對(duì)于箱梁頂板進(jìn)行精細(xì)化的分析和設(shè)計(jì)，可以從根本上避免箱梁頂板縱向受力裂縫的產(chǎn)生。

5.1.2 改善受力截面性質(zhì)

鑒于頂板厚度較薄，縱、橫向預(yù)應(yīng)力筋的布置會(huì)在一定程度上削弱箱梁頂板受力面積，因此應(yīng)合理增加箱梁頂板厚度。根據(jù)受力分析，針對(duì)箱梁頂板受力薄弱位置加強(qiáng)局部配筋和增大薄弱部位構(gòu)件尺寸。

5.1.3 已存裂縫封閉處理

從增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性方面考慮，對(duì)于已成型存在的裂縫，為了避免水分和空氣的存在造成預(yù)應(yīng)力筋銹蝕，應(yīng)采取黏結(jié)性能、密閉性和防水性好的材料進(jìn)行裂縫的封閉處理，延緩裂縫銹蝕和混凝土的碳化進(jìn)行，從根本上提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

5.2 施工方面預(yù)防措施

根據(jù)連續(xù)梁橋箱梁頂板由于施工因素產(chǎn)生裂縫的原因分析，建議采取以下措施進(jìn)行裂縫的預(yù)防處理。

1）改善材料性能。采用適合連續(xù)梁橋懸臂澆筑的混凝土配合比，采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的模板支架系統(tǒng)，避免在混凝土澆筑過程中發(fā)生沉降；優(yōu)化混凝土的澆筑施工工序，嚴(yán)格執(zhí)行澆筑工藝和養(yǎng)護(hù)方法。對(duì)于梁段齡期引起的收縮量不同的問題，考慮通過混凝土材料的性能改善來降低混凝土收縮量。同時(shí)，可以考慮在頂板底面設(shè)置鋼絲網(wǎng)來抑制裂縫的出現(xiàn)。

2）由于連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工工期較長，因此，應(yīng)針對(duì)不同施工工期中的溫度梯度變化進(jìn)行針對(duì)性的研究和分析，并采取必要的應(yīng)對(duì)措施，避免因溫差效應(yīng)產(chǎn)生裂縫。

3）鑒于我國設(shè)計(jì)和施工規(guī)范均缺少對(duì)抗裂鋼筋的布置說明，因此，應(yīng)在施工過程中針對(duì)結(jié)構(gòu)受力薄弱的位置，提高配筋率和鋼筋的均勻分布程度來提高混凝土的抗裂性能。

6 結(jié)語

連續(xù)箱梁橋得到了越來越廣泛的應(yīng)用，頂板縱向裂縫的存在對(duì)于混凝土連續(xù)梁橋的健康服役造成了較大的影響。本文在某連續(xù)梁橋外觀調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了箱梁頂板裂縫的影響，然后從設(shè)計(jì)和施工方面進(jìn)行了裂縫成因分析，最后從設(shè)計(jì)和施工2 個(gè)方面提出了針對(duì)性的處理措施。本文系統(tǒng)分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋裂縫的產(chǎn)生原因和處理措施，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋裂縫的處治提供了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的健康安全服役起到了較大的促進(jìn)作用。