預應力混凝土小箱梁連續(xù)端腹板局部裂縫病害成因分析及處治

郭延飛，彭俊強，王清明，李棟衍，王子方

(山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司 濟南市 250101)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，高速公路迎來了快速規(guī)劃建設(shè)高峰，預制混凝土箱梁以其造價低、便于運輸安裝、工廠化生產(chǎn)程度高等優(yōu)勢，在高速公路建設(shè)中被廣泛采用[1]。但隨著預應力預制小箱梁在工程建設(shè)中的不斷應用，其問題也不斷的暴露出來。施工期間預制箱梁混凝土開裂現(xiàn)象一直是混凝土工程領(lǐng)域的頑疾，其開裂原因眾多，涉及到設(shè)計計算、施工工藝、養(yǎng)護管理、材料性質(zhì)等各方面[2]。以某高速幾十片簡支變連續(xù)預制小箱梁梁端腹板裂縫為研究對象，觀察統(tǒng)計箱梁裂縫出現(xiàn)的時間、出現(xiàn)的階段，并對導致箱梁裂縫通病的原因進行一一篩除，分析確定導致箱梁裂縫的原因后采取相應的施工措施做到對癥下藥，為預制箱梁裂縫防治提供相應依據(jù)，避免后續(xù)混凝土構(gòu)件出現(xiàn)同類病害。

1 工程概況及裂縫調(diào)查情況

1.1 工程概況

某高速公路路線全長93.305km，全線預制箱梁共計 2784 片，其中簡支變連續(xù)箱梁444片。小箱梁設(shè)計采用C50混凝土，梁高為1.8m，結(jié)構(gòu)體系為先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)，按A類預應力混凝土構(gòu)件設(shè)計。支點截面腹板厚度為32cm，跨中截面腹板厚度為18cm，中梁采用15.2-4規(guī)格鋼束，邊梁采用15.2-4與15.2-5規(guī)格鋼束。界面形式如圖1、圖2所示。全線小箱梁均采用場內(nèi)預制，混凝土施工配合比應用智能數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，各類原材料添加質(zhì)量進行嚴格控制，施工、監(jiān)理、建設(shè)單位質(zhì)量管理人員可以同步接受該盤混凝土的所有信息，并且信息會在電腦數(shù)據(jù)端多年存儲。預制箱梁鋼筋全部采用數(shù)控彎箍機生產(chǎn)，統(tǒng)一采用胎架、卡槽進行鋼筋網(wǎng)綁扎。張拉、壓漿過程全部應用智能數(shù)據(jù)上傳，張拉力的大小、壓漿的指標均可在電腦端實時查看。箱梁壓漿完成后架設(shè)存梁去存放。

圖1 箱梁支點截面預應力鋼束布置圖

圖2 跨中截面預應力鋼束布置圖

1.2 裂縫調(diào)查情況

在發(fā)現(xiàn)預制場簡支變連續(xù)小箱梁端頭出現(xiàn)裂縫后，建設(shè)單位迅速組織設(shè)計院到各標段預制箱梁場進行了現(xiàn)場調(diào)查。安排檢測單位對裂縫長度、深度、寬度等進行了專項檢測，并要求施工、監(jiān)理單位對所有出現(xiàn)裂縫的箱梁進行各工序時間節(jié)點、質(zhì)量控制過程進行調(diào)查，施工單位邀請省內(nèi)混凝土相關(guān)專家到箱梁場調(diào)研相關(guān)問題。經(jīng)調(diào)查該高速公路各標段預應力混凝土小箱梁連續(xù)端腹板均出現(xiàn)斜向裂縫，施工一標預制簡支變連續(xù)箱梁發(fā)生的范圍較多，正交和斜交箱梁均存在，初步檢查約60%以上存在裂縫情況，施工二、三、四、五標斜交箱梁主要在鈍角側(cè)有所發(fā)生，初步檢查約40%以上存在裂縫，具體情況如下：

(1)梁端腹板斜向裂縫均出現(xiàn)在簡支變連續(xù)端，伸縮縫端腹板未發(fā)現(xiàn)裂縫。

(2)腹板裂縫位置縱向上基本在支點至跨中方向1.5m范圍內(nèi)，豎向范圍主要在翼緣板根部及以下0.3m范圍內(nèi)，裂縫與水平面夾角一般在0°～20°之間，走向均為向跨中抬頭。

(3)根據(jù)專業(yè)設(shè)備進一步檢查，裂縫深度介于24～95mm之間，裂縫寬度介于0.1～0.2mm之間，預制箱梁設(shè)計腹板厚度32cm，可判斷裂縫深度未貫通腹板，但已到達保護層厚度，部分梁板已到達鋼絞線波紋管處。部分箱梁裂縫情況排查如表1。

表1 部分預制箱梁裂縫統(tǒng)計表

2 裂縫初步成因分析

混凝土開裂現(xiàn)象其原因較多，如要明確哪種原因?qū)е麓祟A制小箱梁通病的產(chǎn)生需對可能引起的原因進行篩除。針對本工程預制簡支變連續(xù)小箱梁端頭出現(xiàn)斜向裂縫的實際情況，暫時無法判定裂縫形式為受力裂縫或溫度收縮裂縫，初步分析原因如下：

(1)混凝土局部養(yǎng)護、張拉時彈性模量偏低導致徐變變形大可能是原因之一。加強端部噴淋養(yǎng)護，保證無死角，張拉時機適當再延后(提高加載時的彈模和強度)，減少徐變變形影響。

(2)箱梁轉(zhuǎn)場吊裝過程中，捆綁鋼絲繩吊點對翼緣板根部會產(chǎn)生局部彎矩，其彎矩連帶影響腹板進而產(chǎn)生裂縫(伸縮縫段因為有剛性的橫梁，減弱了對腹板的影響)。

(3)存梁時，適當加大橡膠墊厚度，或在橡膠墊上放置摩阻力小的四氟板或不銹鋼片，使存梁期間的變形可相對自由的釋放，減小梁端臨時支座的約束。

(4)梁場存梁存在雙層存梁的現(xiàn)象，上層梁的支點位置應和下層梁對應，主要受力位置盡量在腹板位置。

(5)箱梁在存梁過程中，隨著時間的增長，徐變效應導致梁長縮短且跨中持續(xù)上拱，上述變形因為受存梁時梁端臨時支點較大的約束(一般是單層或雙層橡膠片)而受阻，進而在梁端翼緣根部薄弱部位產(chǎn)生超限應力而開裂。

(6)針對目前存在開裂的局部位置，在箍筋豎向肢位置再緊鄰綁扎一根12mm 鋼筋，加大抗裂能力。

(7)可能為張拉裂縫，端頭鋼筋安裝不規(guī)范，導致箱梁端頭預應力張拉后受力過大，引起梁端斜向裂縫的產(chǎn)生[3]。

3 初步選定采取的施工措施

通過現(xiàn)有箱梁裂縫的調(diào)查及初步原因分析，對現(xiàn)有箱梁的各工序進行摸底調(diào)查，對每一道工序的施工情況進行觀察。該過程中嚴格控制原材料的質(zhì)量，保證各項指標滿足規(guī)范要求；所有混凝土拌合站均連接配合比控制系統(tǒng)，可以實時將拌合混凝土信息進行數(shù)據(jù)上傳，方便控制混凝土施工配合比的準確性；箱梁鋼筋網(wǎng)的綁扎均采用胎架、卡槽施工工藝，可以有效保證鋼筋的間距和澆筑完成后箱梁保護層尺寸；預制箱梁張拉、壓漿工序也安裝智能數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，保證了張拉、壓漿數(shù)據(jù)的準確和可控[4]。上述智能數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)既保證了工序質(zhì)量控制的準確，也保證了過程控制的溯源性。在保證各工序質(zhì)量控制嚴謹?shù)那闆r下，制定以下措施：

(1)各標段選取1片箱梁按照現(xiàn)有箱梁的施工控制措施進行施工，分析箱梁裂縫出現(xiàn)的時間節(jié)點和施工工序出現(xiàn)的裂縫通病問題。

(2)箱梁的養(yǎng)生采用智能噴淋系統(tǒng)，養(yǎng)護過程中及時觀察自動噴淋未養(yǎng)生到位的部位，加強箱梁端部噴淋養(yǎng)護，減少徐變變形影響。

(3)在裂縫部位處局部增加豎向鋼筋，在箍筋豎向肢位置再緊鄰綁扎12mm 鋼筋，如圖3所示。

圖3 腹板端頭1m 范圍內(nèi)增加豎向鋼筋

(4)在裂縫部位處局部增加與裂縫方向垂直的鋼筋，抑制斜向裂縫的產(chǎn)生，如圖4所示。

圖4 腹板端頭1m 范圍內(nèi)增加斜向鋼筋

(5)在翼緣板根部增加吊裝孔，以避免吊裝時翼緣板邊部受力。

4 觀察采取措施箱梁施工情況

采取上述措施后，對預制箱梁的各工序情況進行了跟蹤檢查，調(diào)查結(jié)果顯示：未采取任何措施的3片簡支變連續(xù)預制箱梁，在保證原材料和混凝土配合比不變的情況下，澆筑完成后6～10d張拉預應力，張拉完成1d后進行壓降工序，預制胎架上拆除模板，預應力張拉、壓漿，吊裝過程中均未出現(xiàn)裂縫，一般是在運至存梁區(qū)2～5d后發(fā)生此類裂縫。僅在端頭增加豎向鋼筋的2片箱梁，過程工序的質(zhì)量控制同未采取措施的箱梁一樣，在運至存梁區(qū)之前箱梁端頭均未出現(xiàn)此類斜向裂縫，也是在存梁2～3d后出現(xiàn)此類裂縫。端頭增加豎向鋼筋和吊裝孔內(nèi)移的2片箱梁，過程質(zhì)量控制同未采取措施的箱梁一樣，前期均未出現(xiàn)斜向裂縫，同樣是在運至存梁區(qū)后出現(xiàn)了此類斜向裂縫。端頭增加內(nèi)移吊裝孔和垂直于裂縫方向的鋼筋的箱梁在運至存梁區(qū)后均未出現(xiàn)裂縫；端頭增加上述3類施工措施的箱梁，運至存梁區(qū)后亦未出現(xiàn)此類裂縫；繼續(xù)觀察存梁區(qū)內(nèi)此2類增加措施的箱梁，再無裂縫產(chǎn)生[5]。

5 箱梁裂縫原因判定

通過對采取上述措施的箱梁進行觀察和比對試驗，可初步總結(jié)結(jié)果如下：

(1)通過分析未增加措施而出現(xiàn)箱梁端頭裂縫的情況，各工序的質(zhì)量控制過程均符合規(guī)范要求，可初步判定設(shè)計預應力端頭布置方式是簡支變連續(xù)箱梁施工過程產(chǎn)生端頭裂縫的主因之一。

(2)混凝土張拉、壓漿完成后，觀察現(xiàn)有模板臺座上的箱梁其兩端并未出現(xiàn)斜向裂縫，基本可以排除張拉、壓漿等工序混凝土強度不足、張拉彈性模量、局部養(yǎng)護不到位的原因?qū)е孪淞憾瞬砍霈F(xiàn)裂縫的情況。

(3)箱梁轉(zhuǎn)場吊裝過程中，采用捆綁式吊裝。在此施工工序過程中未發(fā)現(xiàn)箱梁出現(xiàn)裂縫，梁端裂縫一般是在存梁2～5d后出現(xiàn)，可排除吊裝過程因為取消吊裝孔設(shè)計的原因?qū)е孪淞毫憾水a(chǎn)生裂縫。

(4)根據(jù)現(xiàn)有K45+568.75(35m)左22-2、K3+327.554左10-7箱梁反饋的數(shù)據(jù)可判定增加垂直鋼筋對抑制裂縫產(chǎn)生無明顯效果。

(5)通過分析上面采用增加垂直于斜向裂縫鋼筋的箱梁均未出現(xiàn)端頭裂縫的箱梁情況，增加垂直于斜向裂縫鋼筋可有效控制預制箱梁端頭斜向裂縫的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

通過對某高速公路簡支變連續(xù)箱梁端頭斜向裂縫的情況進行統(tǒng)計觀察，分析導致裂縫產(chǎn)生的原因，并針對各原因采取了相應的控制措施，通過對后續(xù)采取相應處理措施的預制箱梁進行觀測，增加垂直于裂縫方向的斜向鋼筋可有效防止此類箱梁端頭裂縫的產(chǎn)生。但從本次質(zhì)量通病的治理過程中也可總結(jié)以下幾點內(nèi)容：

(1)箱梁裂縫產(chǎn)生后對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性有重要的影響，無論采用何種處理方式都無法達到原始箱梁狀態(tài)，預應力簡支變連續(xù)混凝土箱梁端頭腹板裂縫的問題應以預防為主。

(2)作為設(shè)計單位在進行簡支變連續(xù)箱梁設(shè)計過程中要注意增加結(jié)構(gòu)物過程中的精細化驗算，合理布置梁端構(gòu)造鋼筋、簡支變連續(xù)端負彎矩預應力、跨中正彎矩預應力管道端頭坐標的布置，保證橋梁結(jié)構(gòu)在整個施工過程中的安全。

(3)加強高速公路建設(shè)過程中智慧高速質(zhì)量數(shù)據(jù)過程控制的應用。本高速公路所有混凝土拌合站均連接配合比控制系統(tǒng)，可以實時將拌和混凝土信息進行數(shù)據(jù)上傳，預制箱梁張拉、壓漿工序也安裝智能數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)配合比超標、張拉力、壓漿不飽滿等情況，建設(shè)單位質(zhì)量控制部門人員手機上可以第一時間收到報警信息，保證了混凝土施工配合比、張拉、壓漿數(shù)據(jù)的準確和可控。

(4)對于已出現(xiàn)裂縫的箱梁要積極尋找根源，并及時修補處理混凝土裂縫，恢復預制箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性。并在施工過程中持續(xù)觀測裂縫的發(fā)展動向，并對相關(guān)文件進行留存，為后續(xù)管養(yǎng)單位重點關(guān)注施工過程中產(chǎn)生的質(zhì)量通病提供原始資料，真正達到建設(shè)、管養(yǎng)的一體化。