淺談預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫成因與預(yù)防

張龍剛，康 仲，田 罡

(1.河北承德承朝高速公路管理處;2.北京泰克華誠技術(shù)信息咨詢有限公司)

1 引言

連續(xù)箱梁橋由于其橋面行車舒適、受力合理、用材節(jié)約、造型美觀、養(yǎng)護工程量小、抗震能力強等優(yōu)點，在高速公路和城市道路高架橋得到了廣泛的應(yīng)用。但其結(jié)構(gòu)受力和施工工藝復(fù)雜，設(shè)計及施工質(zhì)量較難控制等原因造成部分橋梁剛施工完畢或投入運營不久就出現(xiàn)較多裂縫，嚴(yán)重影響了橋梁的正常使用。

2 裂縫產(chǎn)生成因分析

2.1 常見裂縫類別

(1)結(jié)構(gòu)裂縫:溫度收縮裂縫、鋼筋保護層過小產(chǎn)生的裂縫等。

(2)受力裂縫:縱向彎曲裂縫、彎曲剪應(yīng)力裂縫、力筋未能覆蓋而截面又未經(jīng)驗核處的裂縫、支撐處箱梁橫隔板和腹板中的裂縫、錨下裂縫、橋面鋪裝層裂縫、翼懸板貫通裂縫、底板裂縫等。

2.2 裂縫成因分析

2.2.1 設(shè)計因素

(1)設(shè)計模式的選用

①T形梁承受荷載時，實際受力情況與假設(shè)相近。箱梁則不然，承受荷載時，肋與肋之間由于箱梁頂?shù)装宓淖饔茫Φ膫鬟f變化很大，頂板、底板、肋板承受的荷載不僅有彎矩、剪力、還有扭矩。

②T形梁結(jié)構(gòu)簡單，每一單梁均設(shè)一支座，橫向荷載影響小。而連續(xù)箱梁前后跨的荷載對箱梁頂板、底板、肋板的受力狀態(tài)既有縱向影響又有橫向影響;由于剪力滯效應(yīng)，在彎曲荷載作用下，腹板附近翼板中的實際應(yīng)力比初等梁理論應(yīng)力大。

(2)設(shè)計的理想化

設(shè)計考慮理論計算，而未考慮施工過程中的受力狀況。如:鋼筋間距小施工骨料通不過、骨架鋼筋過密使制作、安裝達不到設(shè)計要求、振搗影響、鋼筋束突破材料安全系數(shù)等影響。

2.2.2 施工因素

(1)對設(shè)計圖紙的理解不夠

施工人員對結(jié)構(gòu)受力理解不夠，對受力鋼筋、重要構(gòu)造鋼筋不重視、自行調(diào)整鋼絞線位置、張拉順序不注意，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力受影響，從而出現(xiàn)裂縫。

(2)施工工序的控制不嚴(yán)

施工人員忽視預(yù)應(yīng)力鋼束定位鋼筋、拆除支架順序不合理、支架地基強度不夠、支架強度差、預(yù)壓重量不夠、混凝土配合比、材料質(zhì)量控制不嚴(yán)、通氣孔未打開導(dǎo)致積水等。

2.2.3 管理因素

只注意前期的施工質(zhì)量控制，忽視了后期的養(yǎng)護和管理、過早開放交通，使橋面鋪裝產(chǎn)生順橋向45°裂縫。

2.2.4 結(jié)構(gòu)變形因素

溫度變化、混凝土的收縮、不均勻沉降等因素產(chǎn)生裂縫。

橋面板集中吸收陽光的輻射，與溫度較低的底板形成溫度梯度差。一般情況下，上下翼緣的等效溫差可達10～15℃。

對目前普遍采用的大跨度、變高度箱梁，隨著梁高變化幅度的增大及箱梁長度和支撐處約束的增加，溫度梯度應(yīng)力會有較大的增長。有關(guān)分析表明，溫度應(yīng)力的數(shù)值可能大于活載應(yīng)力，這一點已經(jīng)越來越引起工程設(shè)計人員的重視。

混凝土的收縮、不均勻沉降等因素也是使連續(xù)箱梁產(chǎn)生裂縫的重要原因。

3 連續(xù)箱梁裂縫產(chǎn)生機理分析

3.1 連續(xù)箱梁腹板裂縫的產(chǎn)生

設(shè)計時大多能很好的控制預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁縱向正應(yīng)力及主拉應(yīng)力，但往往忽視抗剪極限強度驗算及抗剪截面尺寸驗算，用主拉應(yīng)力的驗算代替抗剪驗算。正常使用極限狀態(tài)在主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求的情況下，抗剪截面尺寸不一定滿足規(guī)范要求，跨徑20～60m的等截面連續(xù)箱梁中特別突出，容易出現(xiàn)腹板斜裂縫。

3.2 斜裂縫的產(chǎn)生

設(shè)計人員對斜截面剪壓破壞分析不夠準(zhǔn)確，我國公路橋規(guī)規(guī)定斜截面剪壓破壞臨界位置為距支座中心h/2(梁高一半)處，而這一規(guī)定與美國橋規(guī)AASHTO(1997)規(guī)定剪切應(yīng)力臨界斷面在L/4處有所不同，可能出現(xiàn)剪壓破壞。

3.3 錨固區(qū)裂縫的產(chǎn)生

大跨徑箱梁由于設(shè)計齒板而造成中支點附近范圍內(nèi)下緣壓應(yīng)力儲備較小或是拉應(yīng)力區(qū)，在與錨后局部拉應(yīng)力的組合下(齒板前面的板處于受壓狀態(tài)，但齒板后面為受拉狀態(tài))，容易引起底板開裂并向腹板開展。

3.4 預(yù)應(yīng)力通過區(qū)裂縫的產(chǎn)生機理

鋼束在平面或縱面上曲線布置時，縱向預(yù)應(yīng)力筋束在張拉過程中會產(chǎn)生對腹板或底板混凝土的徑向壓力，當(dāng)鋼束曲率的作用力與箱梁恒載應(yīng)力相疊加，相應(yīng)的彎曲應(yīng)力可能比單獨的恒載產(chǎn)生的應(yīng)力大3～4倍，同時可能還存在鋼束線形的偏位而使受力更加不利，嚴(yán)重時集中力可導(dǎo)致腹板混凝土局部剝落或崩裂。

4 減少與防止連續(xù)箱梁裂縫的措施

4.1 設(shè)計中要注意的問題

(1)合理確定截面尺寸

等厚度腹板的連續(xù)箱梁滿足主拉應(yīng)力和斜截面抗剪強度的要求，而忽視抗剪截面尺寸驗算。實際上，抗剪鋼筋的配筋率達到一定得程度后(達到超筋時)，再增加鋼筋，梁的抗剪能力不會繼續(xù)增加，破壞時箍筋的應(yīng)力也達不到屈服強度。這時，應(yīng)加大截面尺寸或提高混凝土標(biāo)號，而不能用增加鋼筋來提高梁的抗剪。

(2)錨固截面的處理

同一斷面上截斷的預(yù)應(yīng)力鋼束不宜太多;避免在拉應(yīng)力區(qū)中錨固預(yù)應(yīng)力鋼束;錨固斷面最好能跨過箱梁斷面接縫處(施工縫);頂?shù)装邋^固之間水平方向距離應(yīng)在有較多重疊的基礎(chǔ)上錯開距離。

(3)防崩的處理和鋼筋設(shè)置

設(shè)計時應(yīng)采取:盡量加厚箱梁底板厚度;鋼束平面布置時盡可能的靠腹板布置;箱梁底板配置足夠的橫向鋼筋及防崩鋼筋;施工中嚴(yán)格控制合攏高差;

防崩箍筋可按下式估算:鋼束曲率傳遞給混凝土凡人徑向荷載對圓曲線為F/R，如為折角則為Fθ。A=Fθ/[σg](σg為鋼筋的容許應(yīng)力)。

(4)合理布置束型

設(shè)計時，連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力鋼束的配置對不同跨徑的梁橋結(jié)構(gòu)，要選用合理的預(yù)應(yīng)力束筋布置型式，盡量避免預(yù)應(yīng)力束筋“大而稀或小而密”導(dǎo)致受力不均勻的情況發(fā)生;盡量避免使用反向曲率的連續(xù)束，注意鋼束的平、豎彎曲線的配合及鋼束之間的空間位置;小邊跨梁端一定范圍內(nèi)可現(xiàn)澆為實體;負(fù)彎矩較大時，可配置一定量的頂板束;不宜采用較長的連續(xù)通長束。

(5)合理布置鋼筋

箱梁受力主筋不宜過分集中在梁肋內(nèi)，設(shè)計時主筋的布置應(yīng)根據(jù)連續(xù)箱梁的肋、板剛度比與其剛度變化情況來考慮;翼板上宜增設(shè)縱向受力鋼筋。選擇連續(xù)箱梁的截面形式時，應(yīng)注意翼板的懸臂長度不宜過大。

(6)加大連續(xù)箱梁橫向剛度

連續(xù)梁橋的橫向剛度也應(yīng)當(dāng)充分重視，僅在寬度較小的尺寸范圍內(nèi)配置多層普通鋼筋，根本無法使鋼筋充分發(fā)揮作用，應(yīng)加大橫梁尺寸或?qū)M梁設(shè)計成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

4.2 施工中要注意的問題

(1)改善材料性能

盡量改善骨料級配、摻和活性劑、外加劑等方法減少水泥用量，以降低混凝土的水化熱溫度;同時，采用一些措施降低混凝土的澆筑溫度，如:降低骨料溫度、加冰水、夜間較低大氣溫度時澆筑混凝土。

(2)優(yōu)化施工方法

①減少澆筑厚度，加快混凝土散熱速度，如:選用鋼模、分層澆筑、氣溫高時降溫、冬季則注意保溫等。

②采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的構(gòu)件架設(shè)支架，規(guī)范施工。

③箱梁混凝土澆筑順序應(yīng)從正彎鉅向負(fù)彎矩的地方合攏，以預(yù)防和減少裂縫的產(chǎn)生，從跨中向兩端支點進行;盡可能一次澆筑完成，梁身較高時，可分兩次或三次澆筑，梁身較低時，宜先底部及腹部根部，其次腹板，最后澆筑頂板及翼板。

5 小結(jié)

為了確保滿足橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能，對于連續(xù)梁橋的裂縫問題應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，在設(shè)計和施工過程中對于較易產(chǎn)生裂縫的環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析，采取優(yōu)化措施盡量減少裂縫的產(chǎn)生。

[1] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 041-2000)[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2] 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社，1985.