箱梁裂縫病害與加固

【摘 要】 針對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂問題， 分析了結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因及加固措施。

【關(guān)鍵詞】 混凝土箱梁橋 裂縫產(chǎn)生原因 加固措施

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋在廣泛應(yīng)用的過程中，由于設(shè)計(jì)和施工等各種原因，經(jīng)常出現(xiàn)不同性質(zhì)的裂縫，破壞了橋梁美觀，影響了橋梁結(jié)構(gòu)的承載安全性與使用耐久性。

裂縫型式按成因分類可分為收縮裂縫、徐變裂縫、溫度裂縫、彎曲裂縫、剪切裂縫、彎剪裂縫、扭曲裂縫和局部應(yīng)力裂縫等。按外在表現(xiàn)形式分為：腹板裂縫、頂板裂縫、底板裂縫。其中的彎曲裂縫是混凝土構(gòu)件受彎矩作用產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度后出現(xiàn)的垂直裂縫。在分段式施工的箱梁中，彎曲裂縫一般出現(xiàn)在接縫內(nèi)或接縫附近。在支座附近區(qū)域，剪切作用與彎曲作用疊加，在初始豎向開裂后，主拉應(yīng)力會使腹板中產(chǎn)生傾斜裂縫[1]。

1 底板裂縫的破壞機(jī)理

根據(jù)某大型PC連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中跨中底板混凝土崩裂的情況，我們進(jìn)行空間有限元底板模型的分析，如圖2所示。

1.1 計(jì)算結(jié)果與參數(shù)分析

1.1.1 預(yù)應(yīng)力因素

通過橋梁的平面與空間有限元的分析[1]，表明：

（1）腹板剪應(yīng)力受中間支座負(fù)彎矩區(qū)段預(yù)應(yīng)力筋布置方式（直線束或彎起束）影響不大。

（2）豎向預(yù)應(yīng)力大小對腹板剪應(yīng)力沒有什么影響，但對全橋范圍內(nèi)腹板主拉應(yīng)力均有影響。計(jì)算結(jié)果表明：不計(jì)豎向預(yù)應(yīng)力作用與計(jì)入50%設(shè)計(jì)張拉控制力相比，腹板主拉應(yīng)力一般增大一倍左右。當(dāng)腹板豎向有效預(yù)應(yīng)力由50%設(shè)計(jì)張拉控制力減小為30%張拉控制力時，第一主應(yīng)力（壓應(yīng)力）減小40%。

（3）中間支座負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋布置方式對該預(yù)應(yīng)力筋作用范圍內(nèi)的腹板主拉應(yīng)力影響很大。直線布束與彎起布束相比，腹板主拉應(yīng)力增大33%～268%。但布束方式對邊墩現(xiàn)澆段腹板主拉應(yīng)力影響不大。

1.1.2 箱梁的剪力滯效應(yīng)與畸變應(yīng)力

通過一些橋例的平面有限元與空間有限元的計(jì)算數(shù)值比較[2，3]，可以看出：

（1）剪力滯效應(yīng)嚴(yán)重地受到寬跨比、梁高比、荷載類型及截面位置的影響，寬箱梁的剪力滯效應(yīng)比窄箱梁嚴(yán)重；而橫截面懸臂長度、腹板傾斜程度等截面幾何參數(shù)對剪力滯效應(yīng)的影響不大，可以用矩形截面來代替梯形截面進(jìn)行剪力滯分析。

（2）對于翼緣凈懸出寬度與跨徑之比小于0.05的連續(xù)箱梁橋，剪力滯效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，設(shè)計(jì)時可不考慮翼板有效寬度的折減。

（3）集中力作用處剪力滯效應(yīng)與其它截面相比明顯增大，有效寬度沿全橋跨長方向并不是同一個值。

在反對稱荷載作用下，箱形截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在約束扭轉(zhuǎn)時，正截面上產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力。如果箱壁尺寸較小，而橫隔板又非常薄弱，則箱形截面在橫截面內(nèi)將產(chǎn)生畸變。因截面變形而產(chǎn)生的附加應(yīng)力可能等于縱向撓曲所產(chǎn)生的應(yīng)力，而橫向應(yīng)力則可超過撓曲應(yīng)力的幾倍。

1.1.3 混凝土的收縮徐變效應(yīng)

混凝土收縮徐變，影響混凝土結(jié)構(gòu)的長期使用性能。對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和截面上的應(yīng)力產(chǎn)生如下的影響[4]：

（1）結(jié)構(gòu)在受壓區(qū)的收縮與徐變將會增大撓度；

（2）徐變對偏心受壓柱將引起彎曲的增大，因此增大了初始偏心，降低柱的承載力；

（3）在預(yù)應(yīng)力或部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，收縮與徐變將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失；

（4）徐變將使構(gòu)件的組合截面產(chǎn)生應(yīng)力重分布；

（5）徐變會導(dǎo)致超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，也就會引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。

影響混凝土收縮與徐變的因素很多，在徐變系數(shù)和收縮系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式中有所反映。公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D62-2004）采用了CEB-FIP1990模式。

1.1.4 混凝土箱梁橋的溫差應(yīng)力

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院的研究表明：對于跨中截面，活荷載在截面下緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力為3.85MPa，而最大溫度應(yīng)力可達(dá)2.656MPa；對于支點(diǎn)截面，活荷載在截面上緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力為2.117MPa，相對應(yīng)的溫度應(yīng)力為1.715MPa。浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院研究報(bào)告對橋例的計(jì)算結(jié)果顯示，荷載組合5作用下，中跨跨中截面下緣主拉應(yīng)力為5.88MPa，而溫差應(yīng)力是4.60MPa；距15#墩L/4處即B斷面底板主拉應(yīng)力為5.61MPa，而溫差應(yīng)力是1.74MPa。可見，溫度應(yīng)力在整個橋梁設(shè)計(jì)中占有很大的比重。

1.1.5 箱梁橋的構(gòu)造因素

（1）關(guān)于邊跨與中跨的比例

邊跨與主跨比例配置是否適當(dāng)直接影響到結(jié)構(gòu)受力的合理性。若邊跨與主跨跨徑之比太大，在恒、活載作用下，邊跨的現(xiàn)澆段部分會出現(xiàn)較大的主拉應(yīng)力，易使混凝土開裂，邊跨加載對中跨箱梁的結(jié)構(gòu)受力也不利。若邊跨與主跨跨徑之比過小，則邊跨支點(diǎn)可能會出現(xiàn)向上的拉力，同時連續(xù)梁各跨的剛度會有較大的差異。

（2）橫隔板的設(shè)置

作為設(shè)計(jì)上的安全儲備或構(gòu)造要求和彌補(bǔ)平面計(jì)算分析不足，應(yīng)該設(shè)置。通過橋例一和橋例二兩座連續(xù)箱梁橋的有限元分析，表明在支座處設(shè)置橫隔板有利于減小支點(diǎn)負(fù)彎矩。

（3）腹板

腹板厚度的變化對截面應(yīng)力狀況的變化非常敏感。當(dāng)腹板厚度稍有增加，截面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力均有良好的改善。

2 底板的防治措施

（1） 裂縫修補(bǔ)技術(shù)

①表面處理法。采用在微裂縫的表面涂抹填料及防水材料的方法，以提高防水性和耐久性。如寬度發(fā)生裂縫，則應(yīng)使用有伸縮性的材料。

②注漿法。將樹脂或水泥類材料注入裂縫。主要注漿材料是環(huán)氧樹脂，采用低壓低速注入法，可防止裂縫繼續(xù)發(fā)展。

③充填法。適用于修補(bǔ)較寬裂縫。首先沿裂縫鑿一條深槽，然后將各種粘結(jié)材料，如水泥砂漿、環(huán)氧砂漿、瀝青、化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑等注入槽內(nèi)嵌補(bǔ)。

④此外還有表面噴涂法和粘結(jié)鋼板封閉法等裂縫修補(bǔ)技術(shù)。

（2） 橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)

①橋梁結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)技術(shù)之一是根據(jù)荷載大小加大截面面積和加配鋼筋。

②通過環(huán)氧樹脂等粘合劑將型鋼、玻璃鋼等材料粘貼在結(jié)構(gòu)外部，此為外部粘貼加固法。

③運(yùn)用預(yù)應(yīng)力原理，在構(gòu)件上施加一定初始應(yīng)力的一種加固方法，稱為外部預(yù)應(yīng)力加固法，它可以起到減小裂縫寬度甚至閉合裂縫的作用。

④改變結(jié)構(gòu)體系加固法，即通過增設(shè)支撐或橋墩，在梁下增設(shè)鋼架等提高承載能力。

（3） 橋梁結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)——錨噴

錨噴是將錨桿和噴混凝土組合的支護(hù)圍巖的技術(shù)措施，施工中加入速凝劑，具有快凝、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。該技術(shù)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，即可按照加固整治的實(shí)際需要施噴。

3 結(jié)束語

引起梁式橋梁開裂的因素很多，涉及到多方面，有些裂縫是幾種因素綜合作用的結(jié)果。有預(yù)應(yīng)力因素（縱向、豎向、橫向）、箱梁因素（剪力滯、翹曲、畸變、扭轉(zhuǎn)）、荷載因素（收縮徐變、支座沉降、溫度梯度、動荷載）、構(gòu)造因素（梁高、孔跨布置、腹板厚度、橫隔板設(shè)置）等，我們應(yīng)該從設(shè)計(jì)和施工兩方面對此問題引起足夠的重視，從而解決實(shí)質(zhì)性的橋梁病害。

參考文獻(xiàn)

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[3] 程灝.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板裂縫成因分析.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)）.2008年第3期

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