某預應力混凝土連續梁裂縫分析及處治

吳宇 ，劉龍文 （寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司，浙江 寧波 315101）

1 橋梁設計及施工概況

1.1 設計概況

某預應力混凝土連續梁橋為軌道交通跨越規劃道路而設，跨徑組合為（29.042+37+45+50）m，橋長161.042m，梁頂寬 18.9m～15.916m，梁底寬為13.3m～10.316m。橋梁外側懸臂長2.45m，端部厚度0.2m，根部厚度0.5m。橫斷面采用單箱三室截面，梁高3.0m。頂板標準段厚度為0.27m，腹板厚度0.5m～0.65m，底板厚度為0.25m～0.5m。中墩和邊墩支點處設置橫隔梁，厚度2.0m。

圖1 連續梁跨中橫斷面圖

主梁設置縱向單向預應力體系。腹板束采用19-Φs15.2mm鋼束，頂板束采用15-Φs15.2mm鋼束，底板束采用12-Φs15.2mm鋼束。腹板束錨固于梁端或節段腹板端部，頂板、底板束錨固于箱梁頂板、底板的齒塊上。

1.2 施工方法

①全橋支架體系采用碗扣式滿堂支架形式。支架屬于超過一定規模的危大工程，專項施工方案已經通過專家論證。支架地基為原混凝土交通道路，其中中央綠化帶部分換填宕渣后澆筑混凝土進行硬化處理。施工單位已在先行施工的其他現澆梁相同地基、碗扣滿堂支架處進行過地基基礎預壓及支架預壓，預壓結果表明地基承載力、支架體系滿足方案要求。

②采用縱向逐段澆筑、豎向分次施工方法。YX01～YX05連續梁縱向分為兩個大節段。第一節段長76.042m，節段縫留置位置位于YX03～YX04跨內、距離YX03墩10m處；第二節段為YX03～YX05（長85m）。每個節段豎向又分為兩次施工：第一次澆筑底板、腹板至頂板下腋角處，第二次澆筑剩余部分腹板及頂板。

圖2 連續梁縱向分段施工示意圖

1.3 施工概況

①第一節段施工情況：8月27日澆筑底腹板混凝土，9月16日澆筑頂板混凝土，10月1日起開始預應力施工，直至10月25日全部完成。

②第二節段施工情況：10月10日澆筑底腹板混凝土，10月23日澆筑頂板混凝土，11月2日起開始預應力施工，直至11月16日全部完成。

2 橋梁裂縫情況

10月28日檢查發現YX04號墩頂附近梁面、箱室內存在較多橫向裂縫。發現裂縫后，建設單位委托第三方檢測單位對橋梁裂縫進行調查。主要方法有橋梁線形三維掃描測量、外觀檢查、裂縫調查測量。

2.1 橋梁線形三維掃描結果

圖3 現場調查測量

采用Faro三維激光掃描儀分別獲取梁頂部及底部的三維點云模型，沿左右側按每跨十分點提取線形點的三維坐標。掃描結果顯示，YX01號墩～YX03號墩（第1跨和第2跨）梁底和梁頂線形呈現上拱，YX03號墩～YX05號墩（第3跨和第4跨）梁底和梁頂線形在局部呈現下撓。

2.2 橋梁裂縫調查測量結果

裂縫寬度測量采用電子裂縫寬度測量儀，裂縫深度測量采用超聲波檢測中的同面法。經過詳細調查和測量，連續梁存在三種形式的裂縫：頂板橫向裂縫、腹板豎向裂縫、少量底板橫向裂縫。

圖4 梁頂線形

圖5 梁底線形

圖6 梁頂掃描云圖

圖7 梁底掃描云圖

①裂縫情況調查分布統計見下表。

②頂板裂縫。左箱室、中箱室和右箱室的頂板均發現數量較多的橫向裂縫和部分縱向裂縫，且下雨后多數裂縫存在滲水現象，說明裂縫已經貫穿頂板。頂板橫向裂縫主要分布于YX01墩～YX03墩（第1跨和第2跨）。

圖8 頂板橫向裂縫實圖

③腹板豎向裂縫。三個箱室腹板均發現豎向裂縫，主要分布于YX02號墩和YX04號墩兩側負彎矩區。裂縫寬度最大為0.62mm，裂縫長度最大為1.70m。裂縫的發展方向為自腹板上緣開始至腹板下緣；裂縫寬度靠近上緣較寬，靠近下緣較窄。部分腹板豎向裂縫在同一塊腹板的兩側呈現對稱分布狀態。

圖9 箱室內腹板典型裂縫實圖

④底板底部裂縫。總的數量較少，第1跨底板發現2條橫向裂縫，第3跨底板發現1處滲水和1條縱向裂縫。裂縫長度較短，寬度較窄，應為混凝土收縮裂縫。

3 裂縫分析

通過建立橋梁空間實體模型，結合橋梁實體檢測數據、施工信息，通過仿真分析考察箱梁在自重作用下，第二節段澆筑完成后全橋變形及墩頂負彎矩區位置的拉應力分布以及混凝土開裂情況。

3.1 全橋變形分析

第二節段混凝土澆筑后，全橋變形分析結果見圖11。

圖10 底板裂紋實圖

圖11 YX01～YX05號墩連續梁全橋豎向變形圖/m

①縱向分段施工變形分析。全橋分為二個節段澆筑，第二節段混凝土澆筑完成之前，第一節段的腹板和底板縱向預應力鋼束已經張拉。分析結果表明，第1跨和第2跨豎向呈現上拱變形。第二節段混凝土箱梁由滿堂支架支撐。如果不考慮支架的支撐作用，其中第3跨跨中最大下撓值達到0.45cm，第4跨跨中最大下撓值達到2.31cm。

②與實測值對比驗證。第二節段混凝土澆筑完成后，施工單位對模板標高進行了混凝土澆筑前后的測量對比。測量點位分別為距離YX04號墩2m、10m、20m處。實測沉降值與計算的梁體撓度值對比如圖12所示。

通過對比可以發現，在混凝土澆筑完成后，模板整體下撓值在1/4跨位置大于梁體計算撓度值，在跨中附近接近計算撓度值。說明混凝土在澆筑完成后，存在梁體的整體下撓，并且在1/4跨位置下撓較大，支架剛度可能不足。

3.2 第二節段縱橋向正應力分布

分析結果見圖13～圖15。結果表明，當第4跨存在較大下撓變形時，在YX04號墩墩頂負彎矩區會產生縱橋向的拉應力。其中，頂板拉應力最大值可達到6.02MPa，腹板拉應力最大值可達到3.73MPa。均已超出C50混凝土的軸心抗拉強度標準值ftk。負彎矩區頂板正應力分布具有以下特征：

圖12 計算撓度和實測模板標高差對比

①負彎矩區頂板拉應力以YX04號墩中心線對稱分布；

②頂板拉應力的方向垂直于橫橋向，因此會導致頂板橫向開裂；

③在距離墩頂橫墻邊緣50cm范圍內，拉應力數值較大，向跨中方向拉應力值逐漸減小；

④頂板拉應力值大小在橫橋向分布均勻，數值較為接近。

3.3 第二節段腹板正應力分布

模擬分析見圖16，分析結果表明，第二節段腹板在負彎矩區為上邊緣受拉，下邊緣受壓。其中負彎矩區腹板上邊緣受拉的范圍為距離YX04號墩橫墻邊緣-9m（往小里程樁號）至+8m（往大里程樁號）范圍。

墩頂負彎矩區受拉范圍內拉應力數值大于C50混凝土的軸心抗拉強度標準值ftk的范圍為距離YX04號墩橫墻邊緣-3m（往小里程樁號）至+2.7m（往大里程樁號）范圍。此范圍內的腹板混凝土具備開裂的可能性。

3.4 中腹板與邊腹板應力分布對比

實際調查顯示，YX04號墩頂開裂截面的中腹板和邊腹板開裂程度不同，因此將中腹板和邊腹板縱橋向正應力進行對比，分析結果如圖17～圖19所示。

裂縫情況調查表

圖13 第二節段箱梁正應力分布圖/Pa

圖14 YX04號墩頂負彎矩區頂板正應力分布圖/Pa

圖15 YX04號墩頂負彎矩區腹板正應力分布圖/Pa

圖16 第二節段腹板正應力分布圖/Pa

可以發現，同一截面縱橋向的拉應力分布大小在橫向差異主要體現在：①頂板在中箱室位置的拉應力要大于邊箱室；②中腹板的拉應力數值和范圍要大于邊腹板。仿真模擬與現場墩頂負彎矩區橫向裂縫的分布位置較為貼近。

3.5 箱梁分層澆筑影響分析

第二節段箱梁采用的是分層澆筑方式，頂板（包括部分腋腳處腹板）與底腹板澆筑時間間隔13天。當頂板混凝土澆筑時，底腹板已經形成了具備一定混凝土強度的開口截面連續梁。頂板混凝土的澆筑實際上是對第一次澆筑結構的二次加載過程。如果施工支架的剛度不足，那么第一次澆筑的開口截面連續梁結構需要承擔更多的荷載，就有可能導致其墩頂負彎矩區腹板上緣開裂。

圖17 YX04號墩頂負彎矩區中腹板正應力分布圖/Pa

圖18 YX04號墩頂負彎矩區邊腹板正應力分布圖/Pa

圖19 YX04號墩頂箱梁截面正應力分布圖/Pa

將第二節段模擬開口截面連續梁，頂板混凝土自重采用等效荷載施加于第二節段腹板頂面，模擬混凝土二次澆注對于第一次澆筑結構的影響。分析結果表明，由于底腹板開口截面連續梁的抗彎強度比閉口截面箱梁有較大削弱，因此當施工支架剛度不足時，頂板混凝土二次澆筑后第二節段梁體下撓較大，最大下撓變形發生在第4跨跨中，最大下撓值達到3.63cm。在YX04號墩負彎矩區腹板上緣產生10MPa的縱橋向拉應力。通過試算可以發現，第二節段頂板混凝土澆筑完成后，當下層底腹板結構最大下撓達到16mm時，YX04號墩頂負彎矩區的腹板上緣混凝土開裂應變可以達到2500με，表明此狀態下頂板已經產生了開裂現象。

3.6 負彎矩區開裂分析

第二跨現澆梁在混凝土澆筑完成后，如果梁體存在下撓變形，YX04號墩頂負彎矩區的頂板及腹板存在縱橋向的拉應力。并且拉應力在墩頂負彎矩區一定范圍內的數值較大，達到了C50混凝土的軸心抗拉強度標準值ftk，使得墩頂負彎矩區具備橫向開裂的可能。

①混凝土初凝后，施工支架非彈性變形產生的拉應力導致開裂

箱梁混凝土在澆筑完成后還未初凝時期，處于流塑性狀態，此時施工支架的彈性變形在混凝土濕重作用下能夠較快完成，保持支架的穩定。因此施工支架的彈性變形而導致的梁體下撓不會在墩頂負彎矩區產生拉應力。

當箱梁混凝土發生初凝后，其處于一個抗拉強度相對較低、但又凝固的狀態。

如果施工支架未經過預壓，存在一個緩慢發展的非彈性變形過程。就有可能造成箱梁在混凝土初凝后的一個下撓變形，對混凝土的開裂造成不利的影響。

②分層澆筑時的支架彈性變形產生的拉應力導致開裂

箱梁采用分層澆筑時，尤其是分層澆筑時間間隔較長的情況下，底板和腹板實際上已經形成了一個開口截面的連續梁。當頂板混凝土二次澆筑時，實際上是對下部底板和腹板的二次加載過程。即“底板+腹板+支架”共同承擔頂板混凝土濕重荷載。如果施工支架的剛度不足，彈性變形過大，會導致底板和腹板承擔更多的荷載，使得下層梁體發生較大的下撓變形，從而在墩頂負彎矩區產生拉應力，造成負彎矩區腹板上緣混凝土橫向開裂。

3.7 頂板橫向裂縫原因

箱梁豎向為分層澆筑，腹板與頂板澆筑時間間隔較長，頂板混凝土的收縮受到腹板的約束較大，造成頂板收縮開裂。

4 結構安全靜載測試

為進一步驗證橋梁結構安全狀態，委托第三方檢測單位對該橋梁進行靜載測試，以檢驗橋梁結構在試驗荷載作用下的實際受力狀況是否滿足設計及規范要求，并通過現場加載試驗以及對試驗觀測數據和試驗現象的綜合分析，對橋梁結構作出總體評價。

4.1 控制截面

根據連續梁受力特點，選取A～G控制截面進行加載效應測試。

圖20 加載控制截面示意

4.2 觀測內容

①撓度：試驗跨各控制截面撓度測點撓度和支點沉降；

②應變：試驗跨各控制截面應變測點應變；

③裂縫：加載過程中，隨時觀測有無新裂縫展開，記錄展開裂縫走向、長度及縫寬；已發現裂縫有無擴展情況，并以裂縫測寬儀及應變計的形式記錄裂縫開展情況。

4.3 靜載測試結果

試驗橋跨在相應荷載工況下未出現承載能力不滿足要求的情況。

①靜載試驗荷載效率系數滿足《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T233-2015)規定的試驗荷載效率系數為0.85～1.05的要求。

②撓度測點的實測值均小于理論計算值和規范規定的控制值，且校驗系數小于1.0，表明試驗橋跨結構剛度滿足設計承載的要求。

③測點的相對殘余應變(變形)最大值符合規范規定的相對殘余應變 (變形)容許值不大于20%的規定，表明試驗橋跨結構彈性恢復能力正常。

④YX02墩、YX04墩附近截面處頂板及腹板典型裂縫的實測擴展寬度滿足規范要求。

5 裂縫處治

裂縫處治以提高橋梁結構安全儲備、結構耐久性、恢復橋梁構件使用功能為主。具體措施包括淺層表面裂縫封閉、深層裂縫化學灌漿、負彎矩區腹板粘貼碳纖維布、頂板防水加強四種。

5.1 裂縫封閉

對于寬度小于0.15mm的裂縫，采用環氧樹脂膠泥進行表面封閉處理，防止水氣侵入銹蝕鋼筋。封縫前先對裂縫部位進行清理或在裂縫處開“V”形槽，然后用封縫材料將裂縫表面或“V”形槽封閉。

5.2 裂縫灌漿

對于寬度大于0.15mm的裂縫，采用化學灌漿填充裂縫的處理措施。一方面灌注漿液、粘結劑將結構內部重新結合為整體，恢復應有的強度；另一方面，阻斷空氣和水分進入梁體，避免鋼筋腐蝕和混凝土碳化，提高結構耐久性和抗滲性。

5.3 粘貼碳纖維布

負彎矩區腹板豎向裂縫按照5.1、5.2要求表面封閉或內部灌漿處理之后，粘結碳纖維布，并進行表面防腐涂裝。

5.4 負彎矩區頂板上表面防水加強

箱梁頂面原設計設有“防水層+細石纖維混凝土”保護層，最小厚度4cm。為增強頂板負彎矩區開裂位置的整體受力性能，考慮到箱梁頂面預埋有軌道道床錨固鋼筋，決定采用C55高標號混凝土代替部分原細石纖維混凝土保護層，密配鋼筋網片，間距10cm（縱橋向）×5cm（橫橋向）。縱橋向設置范圍為墩中心線兩側10m，橫橋向全覆蓋。

6 結語

①加強承重支模架質量管理。承重支模架作為連續梁現澆平臺，對成橋結構安全至關重要。大跨度連續梁施工時間一般較長，要做好連續梁各種工況下承重支模架全過程管理。通過加強對支模架變形情況的監測措施，杜絕由于支模架變形過大，導致連續梁結構出現裂縫。

②連續梁豎向分兩次澆筑要重點關注兩個方面：一是后澆筑結構對先澆筑結構是一個二次加載作用，支架驗算應考慮這一特殊工況；二是先澆筑結構對后澆筑結構的混凝土收縮有一定的約束作用。

③對于出現裂縫的連續梁，要認真研究施工情況，嚴謹分析裂縫產生原因，科學開展結構安全檢測評估和后續處置。