鋼-混組合梁橋混凝土橋面板防裂施工問題探討

文／江西省宜春公路建設(shè)集團有限公司 袁立敏 巢玉蘭

1 工程背景

某大跨徑鋼-混組合梁橋是H峽谷兩側(cè)的主要連接方式，橋梁總長1.341km，主橋部分中心樁號K20+124，按照多跨徑組合型式設(shè)計，主橋為鋼混結(jié)構(gòu)，引橋為混凝土材料形成的簡支T梁。主橋結(jié)構(gòu)共包括4個懸澆連續(xù)T梁，各連續(xù)梁的規(guī)格并不相同，其中主懸澆T梁的最長懸臂為134m，次懸澆T梁懸臂長65m，左右幅箱梁按分幅原則和單箱單室結(jié)構(gòu)設(shè)計。頂板厚27.9cm，跨中位置腹板厚36cm，到中支點處腹板厚度變成50cm，跨中底板厚度30cm，到墩頂變?yōu)?5cm。該橋梁在運行過程中，主橋箱梁腹板先后出現(xiàn)大量裂縫，在靠近支座位置的邊跨腹板處寬度0.10～0.53mm的斜向裂縫較多，已超出《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對裂縫限值[1]的相關(guān)規(guī)定。

2 箱梁驗算結(jié)果及裂縫原因分析

2.1 下緣正應(yīng)力

在進行鋼-混組合梁橋結(jié)構(gòu)承載能力驗算的過程中，先采用平面桿系進行上部結(jié)構(gòu)驗算，驗算結(jié)果表明，上部結(jié)構(gòu)正應(yīng)力符合預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板應(yīng)力要求。橋梁結(jié)構(gòu)跨徑較大，其對支座不均勻沉降也不會發(fā)生較為明顯的反應(yīng)，在行車荷載和溫度應(yīng)力組合的最不利工況下，跨中斷面下緣存在2.2～2.5MPa的應(yīng)力儲備，邊跨跨中下緣的壓應(yīng)力為0.8～1.0MPa。

2.2 剪應(yīng)力與拉應(yīng)力

本橋梁剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力設(shè)計圖顯示，箱梁抗剪力不足，邊支點處主拉應(yīng)力與中支點處主拉應(yīng)力存在3.5～4.0MPa的差距，這都是導(dǎo)致腹板上斜裂縫發(fā)育的原因。邊跨、中跨主拉應(yīng)力較大，跨中某個狹小區(qū)域內(nèi)拉應(yīng)力較小，按照相關(guān)規(guī)范，在邊支點周圍及腹板從50cm厚度轉(zhuǎn)變?yōu)?6cm厚度的范圍內(nèi)，主拉應(yīng)力比設(shè)計值和規(guī)范值大[2]，從而導(dǎo)致主拉應(yīng)力向斜向裂縫的產(chǎn)生。

2.3 腹板厚度

按照相關(guān)規(guī)范，鋼混組合梁橋腹板厚度必須符合設(shè)計及規(guī)范要求，雖然該規(guī)定中并未包括箱梁和變截面連續(xù)梁，但出于大跨徑梁橋結(jié)構(gòu)的安全性考慮，腹板厚度必須得到保證。本橋梁結(jié)構(gòu)腹板厚度明顯不足，縱向預(yù)應(yīng)力束并未彎折進腹板，尤其是邊支點梁端預(yù)應(yīng)力束并未向上彎起，抗剪力嚴重不足，導(dǎo)致腹板裂縫的產(chǎn)生。

2.4 混凝土橋面板裂縫原因

通過對本橋梁及國內(nèi)其他類似橋梁結(jié)構(gòu)的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，根據(jù)引發(fā)鋼-混組合梁橋混凝土面板裂縫的原因可以將裂縫原因分為四種：

2.4.1 Ⅰ類裂縫

此類裂縫主要出現(xiàn)在主跨中和邊跨尾，沿橫橋向呈上下貫通形態(tài)，其主要由跨中和邊跨尾部軸向壓應(yīng)力不足，在混凝土干縮等不利因素的影響下因橋面板拉應(yīng)力而引發(fā)面板開裂。對于此類裂縫，應(yīng)當在主梁中跨跨中和邊跨等區(qū)域橋面板處設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力。中跨跨中1/3跨徑范圍設(shè)置7根15.2mm規(guī)格的鋼束，邊跨從過度墩開始的80m范圍內(nèi)設(shè)置9根15.2mm規(guī)格鋼束。根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果，縱向預(yù)應(yīng)力主要分布在橋面板橫截面中性軸，并錨固于面板底面齒塊。橫向預(yù)應(yīng)力主要分布在橋搭區(qū)域外的橋面板內(nèi)并距橋面板頂面8cm、底面18cm。全橋橋面板濕接縫完成后進行橫向預(yù)應(yīng)力張拉施工，邊跨橋面板濕接縫全部完成后進行邊跨縱向預(yù)應(yīng)力張拉施工，中跨合龍段橋面板濕接縫完成后進行中跨縱向預(yù)應(yīng)力張拉施工。

2.4.2 Ⅱ類裂縫

此類裂縫主要出現(xiàn)在主梁上斜拉索錨固處，與橋軸線呈45°角，此類裂縫出現(xiàn)的主要原因在于施工工藝不當，如鋼柱梁懸拼階段斜拉索未張拉，吊機松鉤提前等，導(dǎo)致主梁懸臂根部的負彎矩太大，導(dǎo)致混凝土橋面板接縫在斜拉索錨固位置拉裂。

2.4.3 Ⅲ類裂縫

多出現(xiàn)在主梁上斜拉索錨固處混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)表面，并圍繞錨點呈環(huán)狀和放射狀形態(tài)，其是錨點周圍混凝土橋面板所承受的局部壓應(yīng)力過大以及且錨點處混凝土收縮徐變等綜合作用的結(jié)果。對于此類裂縫，應(yīng)通過設(shè)置在箱型縱梁腹板外側(cè)的鋼錨箱將主梁位置斜拉索錨固在主梁上，通過腹板將斜拉索索力傳遞至橋面板，使應(yīng)力更加分散和均勻。鋼錨箱設(shè)置在腹板處對混凝土橋面板內(nèi)的縱橫向鋼筋、運營里等的連續(xù)性均不產(chǎn)生影響，能夠確保橋面板結(jié)構(gòu)的整體性。

3 鋼-混組合梁橋混凝土橋面板防裂施工

3.1 橋面板預(yù)制時的防裂

本橋梁預(yù)制橋面板厚27.5cm，平面面積28.8m2，其預(yù)制時為加強防裂，采用7～9cm小塌落度吊斗施工方法，并按設(shè)計比摻加聚丙烯纖維材料，存放支座適應(yīng)干縮的時間為180d，無空氣混凝土均質(zhì)性所對應(yīng)的密度偏差在15kg/m3以內(nèi)，含氣量偏差在1.0%以內(nèi)。

3.2 現(xiàn)澆橋面板防裂

現(xiàn)澆橋面板防裂施工時除應(yīng)滿足通用規(guī)定外，還應(yīng)將壓力泌水控制在0.3ml/cm2以內(nèi)，添加UF-500纖維素材料后采用圓環(huán)約束等方法進行試件抗裂性測試，現(xiàn)澆混凝土橋面板纖維素性能指標詳見表1所示?，F(xiàn)澆混凝土橋面板使用膨脹性混凝土，其90d干縮率應(yīng)不超出限值。混凝土橋面板鋼筋網(wǎng)間距按照15cm設(shè)置，鋼筋網(wǎng)內(nèi)收縮較為集中的一條裂縫寬度不超出50μm，所以本組合橋梁橋面板混凝土90d干縮率的限制為50×10-6/150×10-3=334μ。

表1 現(xiàn)澆混凝土橋面板纖維素性能指標

混凝土橋面板養(yǎng)護采用養(yǎng)護劑，橋面風(fēng)速在3～4級，所以7~9cm小塌落度混凝土的表面易干縮，所以必須緊跟抹面，且抹面后隨即噴灑養(yǎng)護劑以便形成防水膜。

3.3 預(yù)制橋面板吊裝

通過采用常規(guī)的270°和360°吊機雖能提升起重能力，增強通用性，但其結(jié)構(gòu)自重較重，會導(dǎo)致柔性較大的組合梁主梁撓度和斜拉索應(yīng)力增大，其結(jié)構(gòu)自重若集中作用在橫梁跨中位置，則會增大會橋面板的拉應(yīng)力，安裝時的偏載也會引發(fā)主梁扭轉(zhuǎn)，加劇橋面板裂縫的出現(xiàn)。本橋梁混凝土橋面板分段吊裝，并通過懸臂整拼吊機完成安裝，能最大限度降低傳統(tǒng)吊機常規(guī)吊裝方式下所導(dǎo)致的橋面板裂縫，保證吊裝施工質(zhì)量。懸臂整拼吊機安裝過程平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)受力較為明確，受力計算和施工控制便于實施，掛籃總重量與底籃負載量之比為0.7，且吊機作用點在斜拉索錨點附近，不會對主梁構(gòu)件產(chǎn)生較大影響。

3.4 橋面防護

本工程采用涂硅化劑的混凝土滲漏缺陷自修復(fù)技術(shù)進行橋面板表面的防護施工，并在施工過程中比較涂抹硅化劑和不涂抹硅化劑工況下混凝土橋面板性能的試驗，結(jié)果表明，在混凝土橋面板表面均勻涂抹硅化劑后，面板層和鋪裝層的粘結(jié)性增強了29.8%，面板層抗剪強度和抗壓強度分別提升了26.5%和7.84%，且面板裂縫能自我修復(fù)。

3.5 其他防裂措施

跨合攏后的混凝土橋面板安裝應(yīng)當在有利的季節(jié)進行，在中跨合龍前應(yīng)通過噸位較大的安裝吊機或合龍在最大懸臂端配重，若橋面板跨合龍安裝在清除全部施工荷載后的低溫季節(jié)進行，會更有利于橋面板恒壓應(yīng)力的控制。

4 結(jié)論

本鋼-混組合橋梁混凝土橋面板施工時采用聚丙烯纖維混凝土材料，并在低溫季節(jié)進行中跨合龍段橋面板和塔梁支座等的安裝施工，以保證結(jié)構(gòu)受力，預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。通過優(yōu)化混凝土橋面板安裝施工工藝并均勻噴涂硅化劑養(yǎng)護材料，能有效控制裂縫出現(xiàn)。該橋梁工程于2019年底合龍，工程施工過程及運行結(jié)果表明，所采用的施工質(zhì)量控制措施對預(yù)防混凝土面板裂縫的產(chǎn)生效果顯著。