大體積混凝土橋墩裂縫加固技術

孫全勝 余海燕

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

·橋梁·隧道·

大體積混凝土橋墩裂縫加固技術

孫全勝 余海燕

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

以某一實際工程為例，根據裂縫特征、環境條件和實際調查分析，得出橋墩裂縫產生的原因為設計構造配筋不足，在溫度效應和荷載效應的共同作用下而開裂，并結合實際，提出粘貼鋼板法、復合砂漿預應力鋼絞線法、增大截面法和體外預應力法等幾種加固方案，同時對幾種方案進行分析比較，最后重點介紹復合砂漿預應力鋼絞線的加固施工過程。

橋墩，橋梁加固，裂縫，復合砂漿預應力鋼絞線

1 工程概況

橋墩是用于支撐橋梁上部結構，并將上部結構傳來的作用傳至基礎和地基的構件[1]。當橋墩產生裂縫時，會降低橋墩的抗滲能力，引起橋墩鋼筋銹蝕和混凝土碳化，從而降低其耐久性，縮短其使用壽命，與此同時還削弱了橋墩的承載能力。為使開裂橋墩的耐久性和結構安全性滿足規范要求，需對其做出加固處理。

橋墩裂縫產生的原因很多，主要包含以下四種：1)結構荷載；2)使用環境；3)設計不當，包括材料、配筋及其配合比設計不當；4)施工不良[2]。對橋墩裂縫處理前需對其產生原因進行分析，有助于橋梁病害防治，具有很大的經濟、社會效益。

現今，橋梁裂縫加固的常用措施有：裂縫封閉處理、粘貼鋼板法、體外預應力法、增大截面法、纖維包裹法等[3,4]。復合砂漿預應力鋼絞線法也是體外預應力的一種，屬于有粘結預應力加固，將小直徑預應力鋼絞線布置在混凝土的受拉區，利用緊線器張拉后固定在自制錨具上，并噴涂復合砂漿，使其與原鋼筋混凝土共同作用來提高結構的強度和剛度，從而保證橋梁結構得以繼續使用，達到安全、適用、耐久性的要求。

2 橋墩裂縫產生的原因

某橋主橋為跨徑組合3×81.3 m的下承式有風撐鋼管混凝土系桿拱橋，橋墩屬于大體積混凝土結構，橫向長28.6 m或29.5 m、縱向寬5.1 m。在對該橋橋墩技術狀況進行檢查時，發現主橋橋墩大小樁號側面均出現豎向貫通裂縫，裂縫寬度達0.15 mm～0.30 mm，如圖1所示。

由現場裂縫可知：收縮性裂縫不深，一般不超過保護層厚度，常由基礎向上發展，逐漸變窄，碳化裂縫常為棗核形，而此橋墩裂縫最大深度達6.2 cm，寬度均一；堿骨料反應的裂縫為放射狀且有鹽析、表面凸起的現象，因此也不符；鹽類腐蝕雖會引起豎向裂縫，但鋼筋受鹽蝕銹脹，橋墩角部混凝土易先開裂，現場未見角部混凝土開裂，無銹水滲漏，且該橋流經水為淡水，鹽害腐蝕開裂的可能性不大。經排查，初步分析產生裂縫的原因主要有兩點：

1)橋墩屬于大體積混凝土構件(截面尺寸大于1 m)，當混凝土內外形成溫差時易產生裂縫，例如：在澆筑期間的水泥水化放熱、施工至運營期間外界環境溫度的驟然變化等。而且該橋墩未設置散熱管，致使橋墩內外溫度梯度更加明顯。

2)橋墩構造配筋不足，當橋墩在恒載和活載的作用下產生拉應力時，易產生裂縫。

綜上可知，由于橋墩在施工時期產生的水化熱和運營時期的大氣溫差使橋墩內部形成不均勻的溫度場，而橋墩配筋不足，致使橋墩的抗拉能力不足以抵抗其產生的溫度應力和荷載應力而開裂。

3 橋墩加固方案

由于本橋地處市區，在研究加固方案時一直把外觀質量作為主要考慮的因素，同時考慮加固效果的可靠性、經濟合理性、技術合理性和施工便捷性的要求，現將幾種方案敘述如下。

3.1 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是一種適應于鋼筋混凝土結構物的補強加固技術，它采用環氧樹脂系列粘結劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位，以改善和提高結構物的力學性能，增強結構物的承載能力[5]。針對橋墩產生的裂縫起到約束其繼續發展的目的，本橋擬采取在橋墩四周粘貼橫向通長寬300 mm、厚4 mm的鋼板，豎向間距750 mm，具體如圖2所示。

3.2 復合砂漿預應力鋼絞線加固法

應用了小直徑鋼絞線和復合砂漿兩種加固材料，采用簡單設備進行張拉，自制錨具錨固。通過在橋墩大小樁號側面張拉橫向間距為5 cm的Φ4 mm鋼絞線，且通過自制的P型錨具和小型張拉設備錨固在橋墩上。鋼絞線有效控制張拉力f=80 kN，可采用張拉設備多次張拉以達到設計應力值。P型錨頭采用鋁套筒，張拉前采用千斤頂緊壓錨頭，使得鋼絞線與鋁套筒緊壓在一起，具有一定的緊壓力，具體如圖3所示。

利用體外施加的預應力，對墩身產生附加壓應力，從而改變墩身的應力分布，增強墩身的抗裂能力，并最終在鋼絞線外側涂抹3 cm厚復合砂漿，以對鋼絞線起到防腐的作用，提高材料耐久性，并將鋼絞線與墩身形成一體，使砂漿、鋼絞線和墩身混凝土聯合起來共同工作，屬于一種新型的有粘結預應力加固方法。

加固后墩身產生0.60 MPa～0.65 MPa的附加壓應力，增加其抗裂能力，可有效防止裂縫發生，對于原有裂縫處的裂縫最多可回縮0.528 mm～0.591 mm，增加的附加壓應力既可縮小原有裂縫的寬度，又可防止裂縫繼續發展。

3.3 增大截面加固法

增大截面法是在橋墩表面外包鋼筋混凝土，以增大截面的尺寸，提高其配筋率，并且使新舊混凝土形成整體共同受力，從而增大橋墩截面的剛度和承載力[6]。本方案采取在橋墩四周外包厚度為30 cm的鋼筋混凝土。外包混凝土與現狀橋墩之間采用植筋的方式連接，植筋直徑為16 mm，間距為30 cm，植筋深度為25 cm。外包層混凝土采用雙層直徑20 mm的鋼筋，鋼筋間距為25 cm，具體如圖4所示。

3.4 體外預應力加固法

在橋墩墩身橫向側面分別張拉1×Φs15.2 mm鋼絞線，用于對墩身施加預壓力，采用8 mm厚角鋼和錨箱錨固在橋墩上。預應力鋼絞線采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線。控制應力σcon=0.7fpk，運用張拉設備多次張拉以達到設計應力值。待角鋼錨固牢固后張拉鋼絞線，鋼絞線采用兩端張拉，具體如圖5所示。

當鋼絞線安裝并通過角鋼和錨箱實施橫向拉力后，鋼絞線內將產生較大橫向拉力，于是橋墩受拉區就受到鋼絞線預壓應力的作用，橋墩中受拉應力也就相應減少，裂縫相應地回縮，以改變橋墩的受力特性和耐久性，屬于一種無粘結預應力加固方法。

加固后墩身分別產生0.076 0 MPa～0.078 3 MPa的附加壓應力，可增加橋墩抗裂能力，對于原有裂縫處的裂縫最多可回縮0.069 mm～0.073 mm，雖增加的附加壓應力可縮小原有裂縫的寬度，但效果不是很明顯。

4 方案比選

分別在美觀、加固效果、施工難易程度和經濟等多個方面對上述四種加固方案進行比較，如表1所示。

表1 各方案綜合比較表

從以上的分析比較中可以看出：方案一和方案四均對墩身施加了預壓力，使墩身各截面產生附加壓力，增強橋墩的抗裂能力，減小原有裂縫的寬度，并防止裂縫繼續發展。但是相比方案一，方案四效果不明顯。另外方案一加固法每根鋼絞線所需張拉力小，可用簡單設備人工進行張拉，同時采用復合砂漿外包橋墩，使鋼絞線和墩身混凝土結合在一起，既保證了兩者共同工作發揮作用，又對鋼絞線起到防腐的作用，增強其耐久性。方案四只有本身的一種防護措施，而表面沒有添加砂漿或混凝土進行防護，長期裸露在外界環境中，耐久性很差。方案二和方案三并不能對原有裂縫起到封閉的作用，只能通過外加補強以增加橋墩的承載能力而防止裂縫繼續增大。且相比方案一，方案二造價高，方案三施工工序多。

綜上，復合砂漿預應力鋼絞線加固法不僅從根本上解決了橋墩產生裂縫的問題，對墩身施加預應力后明顯改善了墩身的受力狀況，確保結構安全，且加固后美觀，施工方便，造價低。因此，根據橋墩的實際狀況推薦選擇復合砂漿預應力鋼絞線加固法為首選方案。

5 復合砂漿預應力鋼絞線加固橋墩

復合砂漿預應力鋼絞線加固橋墩是一種橋梁結構加固補強的新技術，將小直徑預應力鋼絞線布置在混凝土橋墩的受拉區，利用緊線器張拉后固定在自制錨具上，并噴涂復合砂漿，使其與原鋼筋混凝土橋墩共同作用來提高橋墩的強度和剛度，從而保證橋梁結構得以繼續使用，達到安全、適用、耐久性的要求。

復合砂漿預應力鋼絞線加固橋墩技術屬于有粘結預應力主動加固體系，該方法不同于以往主動加固的橋梁加固方法，突破了以往研究的傳統的砂漿與鋼筋等組合，是一種有所創新的橋梁加固技術。加固效果明顯，不僅能縮小橋墩裂縫，而且可以明顯改善橋墩的抗拉性能。

加固工藝流程分為：1)封閉裂縫、基底打磨處理；2)開槽粘鋼，安裝錨具；3)反力點設置；4)錨固端制作；5)涂刷界面劑；6)對稱張拉；7)高強錨固砂漿處理(端部錨固區錨固砂漿采用高性能砂漿或環氧砂漿，強度高、硬化快。協助端部錨頭傳遞鋼絞線中的預應力，減輕端部錨具的負荷狀況)；8)聚合物砂漿處理。

6 結語

橋墩裂縫嚴重影響結構的耐久性和安全性能，通過本橋的加固實踐可以得出：

1)復合砂漿預應力鋼絞線加固施工便捷，工效高，濕作業少，對結構的形狀和外觀影響不大，價格便宜，且加固施工質量容易保證，加固效果明顯。

2)對橋墩進行加固前需針對具體病害具體分析才能制定合理有效的加固方案。

3)為保證大體積混凝土橋墩的質量，需要在設計、施工和養護各個環節注意。

[1] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 中國土木工程學會混凝土及預應力混凝土分會，混凝土質量專業委員會，高強與高性能混凝土專業委員會.鋼筋混凝土結構裂縫控制指南[M].北京:化學工業出版社,2004:1-10.

[3] 朱銀珠.體外預應力法加固橋墩[J].橋梁建設,2004(2):66-68.

[4] 曹 興,魏 洋,李國芬,等.鋼筋混凝土橋墩加固與修復技術研究[J].施工技術,2011(15):60-64.

[5] 李玉鵬.碳纖維布約束混凝土柱受壓性能試驗研究及理論分析[D].上海：同濟大學,2006.

[6] 蔣 渭.現役橋梁增大截面加固法研究[D].西安：長安大學,2011.

Reinforcement technology of mass concrete pier’s crack

Sun Quansheng Yu Haiyan

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

In an actual project as an example, according to the crack’s shape feature, environmental conditions, the practical investigation and research, what the pier was crazed by lacking of designed structure reinforcement, even the temperature effect and load effect. Combined with the actual, present seceral methods, such as binding of steel plates method, composite mortar prestressed strand method, section enlargement method and using of external prestressing are proposed and compared. Finally, the composite mortar prestressed strand method and construction process are presented in details.

pier, bridge strengthening, crack, composite mortar prestressed strand

1009-6825(2015)02-0145-03

2014-11-05

孫全勝(1968- )，男，博士后，博士生導師，教授； 余海燕(1992- )，女，在讀碩士

U445.72

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