預應(yīng)力預制箱梁底板與腹板縱向裂縫成因分析

郭杰

摘 要：預應(yīng)力預制箱梁以其成熟的工藝和機械化程度高的特點，在保障橋梁質(zhì)量的同時大大節(jié)約了工程成本和工期。但是在預應(yīng)力預制箱梁生產(chǎn)過程中存在各種影響因素，使得預應(yīng)力預制箱梁在理論設(shè)計、混凝土配比設(shè)計、施工工藝以及溫度變化等因素下底板或腹板出現(xiàn)縱向裂縫。通過對縱向裂縫形成的原因進行分析，從而判斷該預應(yīng)力預制箱梁裂縫病害的危害程度，以達到保證橋梁使用安全和節(jié)約成本的目的。

關(guān)鍵詞：預應(yīng)力預制箱梁;縱向裂縫;非結(jié)構(gòu)裂縫

0 引言

預應(yīng)力預制箱梁通常在獨立的梁場預制，采用整體鋼模，混凝土集中供應(yīng)，混凝土運距短，養(yǎng)護方便，易于預應(yīng)力張拉作業(yè);同時梁場采用起重機吊運，機械化程度高，質(zhì)量有保證，生產(chǎn)效率高。預應(yīng)力預制箱梁可與下部工程同時進行，在下部工程完成后進行架設(shè)，大大的縮短了工期，降低了施工成本。從而決定了預應(yīng)力預制箱梁在橋梁施工中被廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

廣西融河高速的一座在建橋梁，全橋共2聯(lián)，橋梁跨徑組合為 2×（4×20.0 m），橋面寬度為2×（凈-11.75+1）m，共8跨。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先簡支后連續(xù)預制小箱梁。預制小箱梁采用C50混凝土，腹板高度為105 cm，底板寬度為100 cm。波紋管采用高密度聚氯乙烯波紋管（SBG-50Y型）。單側(cè)腹板縱向采用兩束5*15.2鋼絞線，底板縱向采用兩束5*15.2鋼絞線。

在橋梁外觀檢測中發(fā)現(xiàn)每跨中都有部分箱梁在底板或腹板位置出現(xiàn)縱向裂縫;裂縫寬度在0.05 mm～0.20 mm之間，長度在1.0 m～19.0 m之間。就同一箱梁而言，底板裂縫寬度大于腹板裂縫寬度。底板裂縫在距梁底邊緣兩邊各20 cm～30 cm之間對稱分布;腹板裂縫在梁中位置出現(xiàn)在距梁底邊緣10 cm～20 cm處，在距梁端7 m～8 m處裂縫開始向斜上方發(fā)展，基本上是沿波紋管位置出現(xiàn)。部分裂縫雖未直接連通，但基本上沿波紋管位置延伸。

2 鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫分類及成因

2.1 鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫分類

（1）按產(chǎn)生原因可分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。

結(jié)構(gòu)裂縫：由各種外荷載引起的裂縫，也稱荷載裂縫。它包括由外荷載的直接應(yīng)力引起的裂縫和在外荷載作用下結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫多由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力達到限值，承載力不足引起的，是結(jié)構(gòu)破壞開始的特征，或是結(jié)構(gòu)強度不足的征兆，這是比較危險的。

非結(jié)構(gòu)裂縫：由各種變形引起的裂縫，也稱變形裂縫。它包括混凝土收縮、溫度變化等因素引起的裂縫。這類裂縫是在結(jié)構(gòu)的變形受到限制時引起內(nèi)應(yīng)力造成的，對結(jié)構(gòu)承載力影響不大。從工程實踐來看，混凝土構(gòu)件的裂縫80%以上都是非結(jié)構(gòu)裂縫。

（2）按裂縫形狀劃分，可分為縱向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫、X形裂縫和不規(guī)則裂縫等。

（3）按裂縫深度劃分，可分為表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。其中表面裂縫對結(jié)構(gòu)）、應(yīng)力、耐久性和安全基本沒有影響。深層裂縫和貫穿裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)影響較大。

2.2 鋼筋混凝土構(gòu)件非結(jié)構(gòu)裂縫成因

鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)裂縫的原因很多，概括起來主要有以下幾種：

（1）理論設(shè)計：一是鋼筋配置不合理，在剪力滯后效應(yīng)的影響下產(chǎn)生裂縫問題。二是設(shè)置鋼筋保護層厚度設(shè)計值不合理、墊塊位置設(shè)置不合理或者在施工中沒有保護墊塊位置的措施;使得保護層厚度過薄，從而在鋼筋銹蝕膨脹時產(chǎn)生裂縫。

（2）混凝土原材料：混凝土的抗拉強度較低，由于材料的不均勻、水灰比不穩(wěn)定及混凝土在運輸和澆筑過程中產(chǎn)生的離析等，會使得混凝土內(nèi)部抗拉強度的不均勻;在溫度變化或養(yǎng)護不到位的情況下，易引起混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力的產(chǎn)生，進而易在薄弱部位出現(xiàn)裂縫。

（3） 收縮：一是水泥化學收縮，水泥水化產(chǎn)物體積較反應(yīng)前水泥-水體系體積縮小，產(chǎn)生收縮。這種收縮不能恢復，會在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微細裂縫，對混凝土結(jié)構(gòu)強度沒有破壞作用。二是混凝土自收縮裂縫，在混凝土硬化階段，由于水泥水化時礦物組分與混凝土中水分結(jié)合，導致混凝土內(nèi)部自由水分減少，從而產(chǎn)生毛細管張力造成體積收縮。三是塑性收縮裂縫，主要是水泥水化終凝前因水分蒸發(fā)速率過大而在混凝土表面產(chǎn)生的收縮裂縫;即混凝土失去塑性能力而強度較低時，無法抵抗體積收縮而產(chǎn)生塑性開裂。四是干縮裂縫，混凝土結(jié)構(gòu)表面水分蒸發(fā)，產(chǎn)生毛細張力，變形較大;而內(nèi)部水分濕度變化較小，對表面干縮形成約束，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。

（4）溫度：水泥水化產(chǎn)生大量水化熱或者拆模前后表面溫度變化大，加上混凝土不是熱的良導體，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高，而表面散熱快，溫度低，形成混凝土內(nèi)外溫度差。較大的溫差造成內(nèi)外熱脹冷縮的程度不同，從而在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。其中水泥水化熱是引起溫度裂縫的主要原因。

（5）施工工藝：一是混凝土振搗不密實，或出現(xiàn)過振、漏振。二是養(yǎng)護不到位，出現(xiàn)溫度裂縫或收縮裂縫。三是張拉預應(yīng)力時混凝土齡期偏小或未按設(shè)計要求進行張拉。四是波紋管定位不準確，在施工過程中出現(xiàn)偏位。

3 原因分析

在發(fā)現(xiàn)底板和腹板存在縱向裂縫后，對出現(xiàn)縱向裂縫的預應(yīng)力預制箱梁進行了注水試驗，并對該跨進行靜載試驗。注水24 h后未發(fā)現(xiàn)裂縫有滲水現(xiàn)象，靜載試驗時裂縫未擴展。由此可知底板和腹板出現(xiàn)的縱向裂縫屬于表面縱向非結(jié)構(gòu)裂縫，對預制箱梁的結(jié)構(gòu)承載力影響不大。

由非結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因，結(jié)合該預應(yīng)力預制箱梁施工技術(shù)情況及與該工程其他橋梁情況對比可知：底板與腹板產(chǎn)生縱向裂縫的原因可排除理論設(shè)計因素和原材料因素。通過施工過程分析可知底板與腹板產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因有以下幾點：

（1）該批預應(yīng)力預制箱梁的混凝土配合比中水泥用量偏多，水泥水化熱較大，造成混凝土內(nèi)外溫度差較大，在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。同時由于水泥漿體含量偏大，出現(xiàn)了較大的收縮變形。由于箱梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)約束，包括波紋管對混凝土收縮的約束作用，導致出現(xiàn)較大的收縮應(yīng)力，出現(xiàn)沿波紋管的縱向裂縫。從該批箱梁的混凝土施工配合料單上得到了驗證。

（2）預應(yīng)力管道布置存在偏位。依據(jù)張勇[1]等在相關(guān)論文中的分析，板底縱向裂縫出現(xiàn)的原因主要是預應(yīng)力管道偏位越大，預應(yīng)力徑向力使箱梁底板產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力越大，使得箱梁底板出現(xiàn)沿著預應(yīng)力管道方向縱向裂縫的可能性越大。從施工現(xiàn)場了解到預應(yīng)力管道定位確實存在偏差。

（3）由于該工程工期較緊，存在拆?；蝾A應(yīng)力張拉時混凝土齡期偏小的情況。

4 結(jié)論

通過上述分析可知，該橋中預應(yīng)力預制箱梁底板和腹板出現(xiàn)沿預應(yīng)力管道的縱向裂縫是表面縱向非結(jié)構(gòu)裂縫。主要成因是水泥用量過多、預應(yīng)力管道偏位或混凝土未達拆模、張拉齡期。從其裂縫寬度較小且靜載試驗后裂縫未擴展的情況來看，底板和腹板的縱向裂縫對該批預應(yīng)力預制箱梁的承載力影響不大。對于該批箱梁出現(xiàn)的裂縫，因其寬度較小，可通過在裂縫外表涂抹環(huán)氧類封縫膠或張貼碳纖維布的方法，增強箱梁防水性及耐久性。同時應(yīng)密切觀察營運后該橋梁裂縫的發(fā)展情況，保證橋梁的使用安全。

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