連續剛構橋的裂縫產生與控制措施探討

施炳前

1 連續剛構橋的裂縫產生綜述

1.1 腹板裂縫

1)主拉應力產生腹板斜裂縫。這些裂縫一般出現在支點與反彎點之間的區域,在支座附近區域,初始豎向開裂后,腹板中的傾斜裂縫變得越來越斜,說明腹板抗剪能力不足,主拉應力方向抗裂安全儲備不夠。2)錨后拉應力產生腹板斜裂縫。采用懸臂澆筑法施工的預應力混凝土梁和部分預應力混凝土梁,在懸臂分段澆筑中,錨頭往往布置在接縫面。由于在接縫面上新澆混凝土之間的抗拉強度低很多,因此,如果在此錨固預應力筋,將在錨固區引起局部高壓應力而導致蠕變。3)連續梁邊跨端部腹板斜裂縫。連續梁邊跨端部腹板受力比較特殊,應力分布十分復雜。連續梁邊跨端部往往是在支架上現澆的,此處剪力較大,在施工和體系轉換過程中會受到一些次內力的影響,也是局部受力集中之處,同時,巨大的支座反力也主要是依靠腹板來傳遞的。在邊跨梁端又是預應力筋集中錨固區域,局部高應力所引起的徐變也比較大。要預先了解引起這些應力的各種因素是非常困難的,即使可以預知這些應力,要詳細說明或用公式表示其計算方法或數學模擬也是很困難的。這主要與端部沒有配置彎起索或彎起索不足有關,即使配置豎向預應力筋也由于鋼筋較短或是由于人工操作不當帶來的過大預應力損失,以至難以抵抗主拉應力。

1.2 頂、底板裂縫

通過對幾座橋梁的實地調查分析,箱梁的頂、底板也存在一定程度的縱向裂縫和橫向裂縫。作者分析認為箱梁頂板、底板的裂縫是由于箱梁畸變和橫向彎曲產生的。計算箱梁頂、底板的主應力時,必須考慮頂、底板的橫向正應力。由于在箱梁頂、底板的剪應力相對較小,所以主應力的方向大致與箱梁頂底板的橫向方向相同,那么產生的裂縫方向大致與橋軸方向平行。此外,溫差或收縮引起的局部應力,頂、底板齒板受力,曲線配索的橫向受力,預應力筋錨頭處局部受力以及截面分層處和施工接縫處的局部應力都有可能產生嚴重的局部應力,使頂、底板開裂。

2 連續剛構橋裂縫的控制措施探討

2.1 箱梁配筋控制措施

1)縱向預應力筋?？v向配直線束的做法既篩化了設計和施工,又減少了摩阻損失,對建立縱向有效預應力有利,而剪應力需配置密排的豎向預應力束來克服。這是由于豎向直線束太短,伸長量太小,幾乎建立不起有效預應力來,建立值與設計值相差太大,難免會出現主拉應力方向的結構性裂縫。另外,剪應力和主拉應力沿縱向是連續分布的,配直線束加密排豎向束組合,一定存在一段應力空白區。建議應合理布置腹板內縱向預應力彎束,讓預應力提供的抗剪能力沿縱向有一個連續分布,并盡可能多地將預應力束布置在腹板內;建立起足夠的縱向有效預應力和彎起束提供的豎向預應力,有效減小或消除主拉應力,減少或消除腹板裂縫。2)豎向預應力筋。豎向預應力筋設置能顯著地減小或消除主拉應力,但力筋太短,難以建立有效預應力,雖在施工工藝上加以改進,如采用超張拉或反復3次張拉,仍存在一些問題。我們對某大橋做了這方面試驗,從測試的幾根來看,效果不錯,但難免存在一些人為因素,這與施工人員的素質分不開,如緊固螺母、壓漿飽不飽滿等。

2.2 補強控制措施

1)后張預應力筋錨區加強鋼筋。后張預應力筋錨固區分為端面錨固、齒塊錨固和齒槽錨固三種形式。端面錨固是最常用的錨固方式,預應力筋伸出并直接支承于構件端面,與構件端部一起形成一種理想的錨塊構造。除構件端部正常配筋,端面錨固區內配置的附加鋼筋為錨墊板下的局部加強鋼筋,其主要采用螺旋鋼筋,也可采用空間鋼筋網。螺旋鋼筋一般與錨具配套供應,對加強錨下混凝土局部承壓的效果好,施工方便,但各錨具的螺旋鋼筋相互獨立、對錨塊無整體作用效果;空間鋼筋網由施工現場構造而成,其對加強錨下混凝土局部承壓的效果不如螺旋鋼筋,施工相對方便,但其將各錨具的加強鋼筋連成一體,具有整體作用效果。因此理想的錨塊應以螺旋鋼筋形成錨下局部承壓加強作用,錨具間附加適量的空間鋼筋網構成整體加強作用。這種空間鋼筋網是以橫向鋼筋為主的,主要限制錨塊整體橫向膨脹,根據錨下應力傳遞規律,空間鋼筋網可從螺旋中下部開始布置。

齒塊錨固的加強鋼筋應由兩部分組成,一部分為錨固塊自身加強鋼筋,基本構造與端面錨塊相似,但橫向環齒塊的鋼筋應力為錨固于板內的閉合箍筋,并由網格鋼筋對拉。另一部分加強鋼筋布置在齒塊所在處的頂板或底板內,縱向按兩層分布,橫向范圍約兩個齒塊寬度,間隔布置在原板上、下層縱向分布鋼筋之間。

2)薄板預應力筋錨后擴散加強鋼筋。在節段施工預應力混凝土箱梁頂板與底板的端面上往往需要錨固預應力筋,由于箱梁截面較大、板壁薄而寬,預加力需要沿力線方向經一定長度才能逐步擴散至全截面。在預加力逐步擴散的區段內,主壓應力形成斜向擴散力線,但垂直力線的主拉應力則可能導致混凝土開裂。因此,頂板與底板錨后應設置相應的加強鋼筋,尤其對于錨具距離腹板較遠的情況。對于齒板錨固方式,除在錨固點局部設置加強鋼筋外,預加力擴散區的加強鋼筋設置方法也同上相似。

2.3 頂板裂縫控制措施

1)認真審查工程結構設計圖紙,復核板厚、鋼筋;2)加強鋼筋工程的隱蔽驗收,注意檢查鋼筋的直徑、間距、上下層鋼筋之間的有效高度、鋼筋的錨固長度、下層鋼筋的保護層墊板厚度及分布等是否符合設計、施工規范要求;3)澆搗混凝土時,安排專人負責管理,以免上層負筋被踩壓下沉;4)板中預埋電線套管時下方多設些墊塊,以確保下層鋼筋的有效保護層;5)嚴格按照施工規范規定,嚴禁在現澆混凝土未達到設計強度之前拆模,板上施工堆載應均勻分布,且避免過重;6)重視事前控制,確保板件厚度及混凝土強度達到設計要求。

2.4 大體積混凝土施工裂縫控制措施

從裂縫的形成過程可以看到,特別是大體積混凝土之所以開裂,主要是混凝土所承受的拉應力和混凝土本身的抗拉強度之間矛盾發展的結果。因而為了控制大體積混凝土裂縫,就必須盡最大可能提高混凝土本身抗拉強度性能和降低抗拉應力(特別是溫度應力)這兩方面綜合考慮。抗拉強度主要決定于混凝土的強度等級及組成材料,要保證抗拉強度關鍵在于原材料的優選和配合比的優化(混凝土強度等級設計已經確定)。由于混凝土選用地材,從經濟角度來考慮,原材料優化的空間相對較小,所以降低拉應力是控制混凝土裂縫的有效途徑,而降低拉應力主要通過減小溫度應力和沉縮應力來控制溫度裂縫和沉縮裂縫。

3 結語

預應力混凝土連續剛構橋結構裂縫形成的原因,涉及設計計算、施工工藝、養護管理、材料性質、氣候環境等各個方面。因此,要細致全面的分析每一個因素對箱梁結構的影響程度是很困難的,多數情況下也是沒有必要的。通過對結構裂縫形式和狀態的調查可以發現,目前預應力混凝土連續剛構橋裂縫產生的位置和形式具有一定的規律性,因此可以推斷,導致目前該類結構裂縫產生的影響因素也具有一定的代表性。

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