先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板箱梁縱向裂縫分析與防治

文/戴秀平 廣東省南粵交通清云高速公路管理中心 廣東廣州 510101

我國高速公路建設(shè)現(xiàn)已實(shí)行“雙標(biāo)”（標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)桿）管理施工，施工過程嚴(yán)格落實(shí)“三集中”、“兩準(zhǔn)入”制度，即混凝土拌合集中、鋼筋加工集中、梁板預(yù)制集中和混凝土澆注模板準(zhǔn)入、隧道二襯臺(tái)車準(zhǔn)入制度，發(fā)揮工廠化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化施工的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)件大批量生產(chǎn)，降低了預(yù)制成本，并且便于質(zhì)量控制，安全文明施工管理，也利于工期縮短，減少用地等，提高工程實(shí)體質(zhì)量和降低施工期安全事故的發(fā)生。前期高速公路建設(shè)在沒有實(shí)行“雙標(biāo)”管理施工，“三集中”、“兩準(zhǔn)入”制度之前，橋梁上部結(jié)構(gòu)廣泛采用了先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板箱梁，在橋梁施工完運(yùn)營過程日常檢查維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，在部分空心板的底板中部常發(fā)現(xiàn)有縱、橫向裂縫，需及時(shí)維護(hù)或加固處理。

眾所周知，空心板的主要受力方向是縱橋向。在施工和使用過程中，由于預(yù)應(yīng)力及車輛活載的反復(fù)作用，空心板會(huì)產(chǎn)生縱橋向的彎矩等內(nèi)力，如果產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生板頂或者板底的橫向裂縫?？v向裂縫的產(chǎn)生原因是多方面的；其次，縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的危害及影響公用安全和運(yùn)營效率。下面以廣深高速高速公路東莞北大橋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板縱向裂縫的產(chǎn)生原因及危害進(jìn)行分析和探討。

廣深高速公路是聯(lián)系廣州、深圳、珠海的廣深珠高速公路的首期工程，1987年5月動(dòng)工，1993年12月2日建成，1994年7月18日全線試通車，1997年7月1日正式通車營運(yùn)。北起于廣州市黃村立交，與廣州環(huán)城高速公路北段相接，南止於深圳市皇崗口岸附近，與深圳皇崗路相接，雙向六線行車，全長122.8公里，寬33.1米，雙向6車道、全封閉、全立交，限速為120km/h。屬于G4和G15的一部分，從鶴州出入口至火村出入口的路段為G4和G15并線之路段。設(shè)計(jì)車流量為6萬輛次/日，但2012年數(shù)據(jù)顯示，平時(shí)日車流量就已達(dá)40萬輛次。

1、病害情況及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

發(fā)生縱向裂縫的板梁為主要有跨徑13m、16m的簡(jiǎn)支及簡(jiǎn)支變連續(xù)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。開裂現(xiàn)象僅發(fā)生在部分空心板，并且邊板開裂較多。裂縫產(chǎn)生于空心板底板的中部，多數(shù)裂縫貫穿了空心板全長，從支點(diǎn)一直延伸至跨中，直至另一支點(diǎn)。但是也有部分空心板裂縫并不連續(xù)，僅在局部開裂，而且跨中縱向開裂多，支點(diǎn)附近開裂少；也有的空心板發(fā)生多道縱向裂縫，相互交織。有的甚至將混凝土切割破碎，混凝土碎塊掉落，露出預(yù)應(yīng)力鋼絞線。多數(shù)裂縫寬度在0.112～0.132mm左右，部分較嚴(yán)重的裂縫寬度達(dá)0.135mm，大多數(shù)的裂縫寬度已經(jīng)超過《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件縱向裂縫寬度的規(guī)定值(0.120mm)。裂縫深度均已發(fā)展到預(yù)應(yīng)力筋位置，部分裂縫深度已經(jīng)貫通底板，發(fā)生漏水等情況。通過檢測(cè)證實(shí)，縱向開裂的梁其承載能力仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是個(gè)別裂縫較嚴(yán)重的梁的撓度、應(yīng)力值的校驗(yàn)系數(shù)呈離散情況。這說明縱向裂縫對(duì)梁的承載能力影響不大，但較嚴(yán)重的裂縫會(huì)對(duì)梁體的整體性和剛度產(chǎn)生影響。裂縫的存在也會(huì)使混凝土受到損害，并且使鋼筋暴露在環(huán)境中，增加鋼筋受腐蝕的機(jī)率，從而會(huì)降低構(gòu)件的使用壽命。設(shè)計(jì)單位對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裂縫寬度、承載力等的常規(guī)驗(yàn)算，結(jié)果表明空心板的承載能力滿足規(guī)范要求。

從施工、監(jiān)理資料來看，空心板的預(yù)制、存放、安裝施工過程并無明顯的違反施工規(guī)范的過錯(cuò)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)類似結(jié)構(gòu)的橋梁使用長時(shí)間后均會(huì)發(fā)生縱向裂縫。這說明這種先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的縱向裂縫是一種較為普遍的現(xiàn)象。縱向裂縫的發(fā)生必然與這種結(jié)構(gòu)本身的特性存在聯(lián)系，下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工兩方面分析裂縫發(fā)生的原因。

2、空心板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

該類型空心板的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為汽車—超20級(jí)。鋼絞線采用ASTMA416-90a標(biāo)準(zhǔn)270級(jí)低松弛鋼絞線。13m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m，高55cm，中心挖空部分截面為35cm高的扁圓。16m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m，高70cm，中心挖空截面為直徑50cm的圓。空心板的頂板厚度為10cm ，底板厚度也是10cm?；炷翗?biāo)號(hào)為C50。據(jù)了解，為了防止芯模上浮及施工誤差導(dǎo)致頂板過薄，設(shè)計(jì)單位將其厚度由原來的8cm調(diào)至10cm，但是橫截面外輪廓尺寸基本沒有改變，因此，底板厚度由原來的12cm減小為10cm。與原設(shè)計(jì)相比，另一顯著變化是為了保證空心板通過截面驗(yàn)算或增加安全儲(chǔ)備的目的，把空心板的混凝土標(biāo)號(hào)由原C40提高到C50。

3、空心板的施工情況

根據(jù)了解，發(fā)生開裂的空心板的預(yù)制施工及存放、吊裝過程，均依照規(guī)范要求進(jìn)行，并無特殊之處，只是出梁時(shí)間多為夏季，在預(yù)制施工中，有兩件事值得關(guān)注。一是空心板底板混凝土的施工質(zhì)量偏差。經(jīng)檢測(cè)，雖然空心板混凝土質(zhì)量合格，沒有明顯的澆注施工質(zhì)量缺陷，但是部分梁底板的混凝土看起來沒有其他橋梁上的底板平整光潔，似乎由振搗不充分所致。經(jīng)了解，由于采用C50混凝土，為了增加和易性，加快工期，添加了引氣劑、早強(qiáng)劑等添加劑。施工季節(jié)為夏季，施工中發(fā)現(xiàn)混凝土的坍落度損失很快。二是夏季預(yù)制空心板的預(yù)拱度明顯比其他季節(jié)預(yù)制的板要高。以16m板為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理提供的情況，高溫時(shí)期的梁放張后預(yù)拱度達(dá)到3cm左右，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)提供的預(yù)拱度。而秋季預(yù)制的梁預(yù)應(yīng)力束放張后，預(yù)拱度約1cm，但是查看預(yù)應(yīng)力束張拉等施工記錄，并無其他明顯差別。

4、裂縫原因分析

由以上情況可以看出， 空心板縱向裂縫的發(fā)生有設(shè)計(jì)和施工兩方面的原因。多個(gè)工地，不同施工單位預(yù)制的空心板出現(xiàn)同樣的問題，這說明設(shè)計(jì)存在缺陷； 同時(shí)，僅僅部分空心板開裂，并且發(fā)生裂縫的情況有的較輕，有的對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成明顯影響，這說明施工質(zhì)量存在較大的離散性，與施工控制不嚴(yán)有關(guān)。采用C50混凝土，當(dāng)然能夠提高空心板的承載能力和安全儲(chǔ)備，但是卻給混凝土澆注施工帶來困難。在夏季混凝土澆注施工時(shí)，添加了各種外加劑的高標(biāo)號(hào)混凝土的坍落度損失較快，導(dǎo)致空心板的底板混凝土不密實(shí)，導(dǎo)致空心板混凝土施工質(zhì)量離散性大。減小底板的厚度，對(duì)空心板梁的整體承載能力并不降低。但是，從局部受力分析，它確實(shí)降低了底板的抗裂能力。

空心板縱向開裂，與施加預(yù)應(yīng)力的大小也有關(guān)系。夏季預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)，鋼絞線在暴曬下溫度可達(dá)60℃左右，但混凝土澆注時(shí)，按照施工規(guī)范要求溫度不能過高，在溫度差的作用下，鋼絞線收縮產(chǎn)生超過設(shè)計(jì)值的張拉力，致使空心板預(yù)拱度增加，空心板底板受力也增大，易于發(fā)生開裂。

另外施工過程中，由于先張法預(yù)應(yīng)力束放張時(shí)，鋼束的回縮會(huì)給混凝土施加強(qiáng)大的預(yù)壓力，在橫向可產(chǎn)生劈裂橫向拉應(yīng)力。如果預(yù)應(yīng)力放張過早，混凝土強(qiáng)度尚低，會(huì)產(chǎn)生縱向開裂。另外預(yù)應(yīng)力放張過快，梁體內(nèi)部應(yīng)變無法很快地達(dá)到平衡，發(fā)生應(yīng)變滯后，也會(huì)導(dǎo)致橫向拉應(yīng)力超限而開裂。另一方面， 如果施工未按照規(guī)范要求對(duì)稱均衡地放張，也會(huì)在截面橫向產(chǎn)生彎矩，應(yīng)力迭加超過限值后發(fā)生開裂。至于邊板開裂較多，是因?yàn)檫叞褰孛娌粚?duì)稱，放張后截面上橫向彎矩比中板截面大，而尺寸與中板相近，所以邊板是薄弱環(huán)節(jié)，縱向開裂就會(huì)較多。

5、結(jié)論與防治建議

為避免此類型空心板的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，首先應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過常規(guī)的受力驗(yàn)算，能夠滿足規(guī)范要求，但仍需要增加結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)施工偏差的容錯(cuò)性，減少發(fā)生質(zhì)量問題的機(jī)率。在施工方面，應(yīng)改進(jìn)混凝土施工工藝，保證混凝土的澆注質(zhì)量。并且規(guī)范預(yù)應(yīng)力放張工序的施工操作，嚴(yán)格按照規(guī)范要求，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，對(duì)稱、均衡、緩慢地放張，避免產(chǎn)生過大的橫向拉應(yīng)力，減少裂縫的發(fā)生機(jī)率。

對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，鑒于對(duì)空心板的整體受力性能影響不大 應(yīng)視其嚴(yán)重程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，主要目的是封閉裂縫，減少構(gòu)件受侵蝕的機(jī)會(huì)，消除裂縫對(duì)空心板使用壽命的影響。對(duì)于開裂較少的，可以采取注漿封閉措施。混凝土碎裂嚴(yán)重的，可清除碎渣，注漿封閉裂縫后，可采用粘鋼包加固、包鋼加固、碳纖維加固予以補(bǔ)強(qiáng)，或者換板，消除后患。