預應力混凝土箱梁質量通病及解決措施的分析

俞錫紅

1 概述

預應力混凝土箱梁橋以其結構受力性能好、變形小、養護工程量小、抗震能力強等優點[1],在公路和城市橋梁中得到廣泛采用。此類橋型在施工過程中由于結構受力復雜,受材料和溫度等不確定性因素影響較多,對設計和施工都提出了很高要求。因此,對預應力混凝土箱梁橋施工中常見質量通病進行分析,從設計出發避免其發生和發展變得十分迫切。

2 混凝土表面缺陷原因分析

2.1 預應力混凝土箱梁常見裂縫

預應力混凝土箱梁常見裂縫有:縱向彎曲裂縫、縱向彎曲剪應力裂縫、預應力筋未能覆蓋截面產生的裂縫、橋梁兩側箱梁腹板和獨立支撐處箱梁橫隔板中的裂縫、溫度收縮裂縫、箱梁底板的錨下裂縫、大噸位預應力引起的裂縫。

針對常用的預應力混凝土箱梁而言,裂縫形成的原因主要有以下幾點:1)主橋總體設計中對箱梁截面尺寸的擬訂不合理,其中包括梁高、腹板、底板及頂板厚度尺寸,承托布置及尺寸等。2)設計抗彎、抗剪能力不足[2]。3)未合理考慮溫度應力。4)對超靜定預應力混凝土連續梁橋設計中的次內力影響估計不足。5)預應力鋼束布置不合理。6)預應力張拉未達到設計要求。7)材料自身強度不足。8)施工技術差錯或未考慮施工精度誤差。

防治措施:1)設計時除按有關規范進行主應力計算外[4],還應對各種應力,尤其是局部應力的可能分布狀態要有足夠的定性分析和進行必要的定量分析。以便優化調整箱梁截面尺寸,合理布置預應力鋼束錨固端兩側的危險截面應加以驗算。2)布置適量的普通鋼筋,以提高箱梁結構局部區域的抗裂性能,增加構件的局部強度,取用合理的技術經濟指標。3)精心施工,充分考慮施工中的各種不利因素,對施工方法、材料強度及預應力張拉工藝等需要有可靠的保證,做到符合設計要求。4)對工程中出現的裂縫應作詳細調查,進行科學分析。必要時還應進行有關實驗和測試,對癥下藥,采取相應的對策。

2.2 預應力波紋管附近裂縫

箱梁底板在沿預應力鋼束波紋管位置下出現斷斷續續、長短不等的裂縫,寬度大部分在0.2 mm以下。

原因分析:1)形成這一類裂縫的主要原因之一是預應力鋼束的保護層厚度偏薄,加之采用的高標號水泥用量偏多,水泥漿含量偏大,導致較大的收縮變形。由于箱梁結構的內約束,包括底板截面的不均勻收縮和波紋管對混凝土收縮的約束作用,導致較大的混凝土收縮應力,超過了當時混凝土的抗拉強度,從而出現了沿波紋管縱向的收縮裂縫。2)箱梁底板橫向分布鋼筋間距偏大。3)箱梁底板預應力鋼束布置不夠合理。4)混凝土振搗不密實,養護措施不到位[3]。5)張拉預應力束時的混凝土齡期偏小。

防治措施:1)改進泵送混凝土的級配,優選降低混凝土收縮變形的材料配合比,包括水泥用量、水灰比、外加劑等。2)采取技術措施,確保預應力波紋管保護層厚度不小于5 cm。3)對底板構造鋼筋和底板預應力鋼筋的間距采取合理布置。4)加強對箱梁底板混凝土外表面的養護工作。5)適當放長混凝土的張拉齡期。

2.3 腹板空洞,蜂窩,麻面

箱梁澆筑混凝土拆模后,在底板與腹板連接處的承托部位,部分腹板離底板1 m高范圍內出現空洞、蜂窩、麻面。

原因分析:

1)箱梁腹板一般較高,厚度較薄,在底板與腹板連接部位鋼筋較密,又布置有預應力使得腹板混凝土澆筑時不易振實,也有漏振情況,易造成蜂窩。

2)若箱梁設置橫隔板,一般會設預留入孔,澆筑混凝土時從預留入孔兩邊同時進料,易造成預留孔下部空氣封堵,形成空洞。

3)澆筑混凝土時,若氣溫較高,混凝土坍落度小,模板濕水不夠,局部鋼筋太密,振搗困難;易使混凝土出現蜂窩,不密實。

4)箱梁混凝土建筑量較大,若供料不及時,易造成混凝土振搗困難,出現松散或冷縫。

5)模板支撐不牢固,接縫不密貼,易發生漏漿、跑模,使混凝土產生蜂窩、麻面。

6)施工人員操作不熟練,振搗范圍分工不明確,未能嚴格做到對相鄰部位交叉振搗,從而發生漏振情況,使混凝土出現松散、蜂窩。

防治措施:

1)箱梁混凝土澆筑前應做好合理組織和分工,對操作人員進行技術交底,劃分振搗范圍,澆筑層次清楚,相互重復振搗長度應取50 cm左右,一邊下料[6]。

2)對設置橫隔板的箱梁,混凝土要從橫隔板洞口一邊下料,并從洞口下另一邊振出混凝土,避免空氣封堵洞口下部,這樣就不易在洞口下部形成空洞。

3)合理組織混凝土供料,如采用商品混凝土,現場宜有臨時備用攪拌設備,以便當商品混凝土因運輸或其他原因帶來供料中斷時予以臨時供料。

4)根據施工氣溫,合理調整混凝土坍落度和混凝土水灰比,當氣溫高時,應做好模板濕潤工作。

5)當箱梁腹板較高時,模板上應預留入孔,使得振搗棒可達到各部位。

6)對箱梁底板與腹板承托處及橫隔板預留入孔處,應重點進行監護,確保混凝土澆筑質量。

3 預應力張拉

1)預應力鋼束張拉時,鋼束伸長值超過了規定的允許偏差范圍,如包含平彎、豎彎的長鋼束其伸長值比設計值偏小;短鋼束的伸長值偏大[5]。

原因分析:a.實際使用預應力鋼材彈性模量和鋼束截面面積與設計計算值不一致。b.由于預應力孔道的位置不準,波紋管形成空間曲線,使張拉時鋼束的摩阻力變大,當張拉到設計噸位時,預應力的實際伸長值偏小。c.預應力施工工序不規范。如在箱梁澆筑混凝土前已將雙向張拉的預應力束穿好,若澆筑混凝土時產生孔道堵塞,不能用通孔器檢查的,張拉時摩阻力會增大,造成伸長值偏小。d.千斤頂與壓力表等預應力張拉具未能按規定定期進行校驗,也會造成張拉與伸長值不一致。

防治措施:

a.預應力筋在使用前必須按實測的彈性模量和截面面積修正計算[2]。如:

其中,Δ′為修正引伸值;E′,A′分別為實測彈性模量與截面面積;E,A分別為計算彈性模量與截面面積;Δ為計算引伸值。

b.正確測得預應力筋的引伸量,按計算得引伸量誤差修正值。引伸量的測量為預應力筋的直接伸長值,為此可將預應力筋伸出千斤頂尾端10 cm左右,直接測定預應力筋在張拉前、初始張拉噸位、張拉噸位及卸荷后四種情況下的伸長值[6]。

按下式計算引伸量的誤差:

其中,P為張拉噸位;Po為初始張拉噸位,一般為10%～15%值;Δo為由Po到P值的實測引伸量,cm;Δ為設計引伸量,cm。

c.確保波紋管的定位準確,為此,應將波紋管的定位鋼筋,點焊在上、下排的受力鋼筋上,防止澆筑混凝土過程中波紋管上浮。根據需要可進行實測預應力張拉摩阻力試驗,修正設計用的摩擦系數μ值,以調整預應力筋的設計伸長值。

d.若實際發生的摩阻力與預應力鋼束張拉后實測值相差較大,此時可考慮使用預備孔道增加預應力束。

2)預應力混凝土箱梁張拉時發生預應力鋼索的斷絲和滑絲,使得箱梁的預應力鋼束受力不均勻或使構件不能達到所要求的預應力度。

原因分析:a.實際使用的預應力鋼絲或預應力鋼絞線直徑偏大,錨具與夾片不密貼,張拉時易發生斷絲或滑絲。b.預應力束沒有或未按規定要求梳理編束,使得鋼束長短不一或發生交叉,張拉時造成鋼絲受力不均,易發生斷絲。c.錨夾具的尺寸不準,夾片的錐度誤差大,夾片的硬度與預應力筋不配套,易斷絲和滑絲。d.錨圈放置位置不準,支承墊塊傾斜,千斤頂安裝不正,也會造成預應力鋼束斷絲。e.焊接施工時,把接地線接在預應力筋上,造成鋼絲間短路,損傷鋼絞線,張拉時發生斷絲。f.澆筑箱梁混凝土前已先把鋼束穿入波紋管,造成鋼絲銹蝕,澆筑的混凝土砂漿留在鋼束上,又未清理干凈,張拉時產生滑絲。防治措施:a.穿束前,預應力鋼束必須按技術規程進行,梳理編束,并正確綁扎。b.張拉前錨夾具需按規范要求進行檢驗,特別對夾片的硬度一定要進行測定,不合格的予以調換。c.張拉預應力時錨具、千斤頂安裝要準確。d.當預應力張拉達到一定噸位后,如發現油壓回落,再加油壓又回落,這時有可能發生斷絲,若這樣,需更換預應力鋼束,重新進行預應力張拉。e.焊接時嚴禁利用預應力筋作為接地線,也不允許發生電焊燒傷波紋管與預應力筋。f.張拉前必須對張拉端鋼絞線進行清理,如發生鋼絞線銹蝕應重新調換。

4 結語

通過近幾年的工程實踐,可總結箱梁結構如能在設計方面進一步完善,例如底板、腹板適當加厚,波紋管尺寸略微加大,施工方面合理選擇粗骨料粒徑,優化施工工藝,同時嚴格按施工規范要求進行預應力張拉壓漿,就能減輕并消除預應力混凝土組合箱梁的質量通病,保證預應力混凝土箱梁的內在質量和外在質量,使得箱梁這種結構形式得到更大的推廣應用。

[1]范立礎,顧邦安.橋梁工程(上冊)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]楊宗放.現代預應力混凝土施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[4]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[6]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S]