預應力混凝土箱梁早期裂縫成因及防治研究*

燕保彬,劉旺興

(中交隧道工程局有限公司,北京 100020)

0 引言

隨著國家基建的快速發展,橋梁數量不斷增多。現澆混凝土箱梁空間整體受力性能良好,抗扭剛度大,在施工和使用過程中都具有較好的穩定性,能適應在支點處有負彎矩的連續梁橋結構和各種現代施工工藝的要求,在現代各橋梁結構體系中得到廣泛應用。但在實際橋梁施工過程中,箱梁裂縫問題時有發生,有些裂縫在澆筑后不久便產生,有些裂縫在運營過程中出現,這些裂縫若不能及時處理,便會對橋梁結構的使用性能和安全性造成極大威脅,因此對箱梁裂縫的理論認識、健康監測和高效處置至關重要。

針對現澆混凝土箱梁的早期裂縫,國內外學者進行了很多研究,早在20世紀便有學者對混凝土工程結構中混凝土開裂的問題進行了研究,發現很大一部分裂縫是因為混凝土內部溫度變化從而導致其內部體積變化引起[1]。有學者認為混凝土在強度生成過程中,早期水化熱和自身收縮效應會導致新澆筑混凝土產生內外溫差,從而導致熱裂縫產生,并在實驗室進行了驗證,同時,還得出混凝土裂縫數目及間距除受混凝土內外溫差影響外,還受到鋼筋數量、鋼筋直徑、保護層厚度等因素影響的結論[2]。國外學者Emborg等進行了混凝土膨脹、徐變、松弛等試驗,并與有限元方法相結合,分析了混凝土內早期溫度應力對其開裂的影響,結果表明,使用有限元方法分析時,混凝土自身的傳熱效應、早期的溫度變化、混凝土中鋼筋數量等影響較大[3];呂志濤等于2001年在對我國預應力混凝土梁橋技術與發展的回顧和展望中總結了目前預應力混凝土梁橋設計、施工中的裂縫問題,從結構設計方面和施工工藝方面總結了受力裂縫和非受力裂縫的成因,強調了裂縫成因分析的重要性等[4];隨后,陳肇元等學者全面總結并論述了鋼筋混凝土裂縫的不同機理及對應的控制措施,提出通過改善混凝土原材料配合比、做好溫度控制、有效利用控制縫等構造、嚴格要求施工技術等進行裂縫控制[5];袁明虎等進行了大量調研,發現早期溫度變化導致混凝土箱梁產生非受力裂縫的現象較普遍,并提出通過添加劑來改善裂縫產生[6];曾志長[7]、劉睫等[8]通過有限元仿真分析對大體積混凝土的裂縫情況進行了研究,提出通過蒸養和管冷方式整體控制混凝土內外溫差,從而控制溫度裂縫的產生。

由以上綜述可知,混凝土箱梁結構的裂縫問題較常見,本文以實際現澆混凝土箱梁橋工程為例,通過理論分析方法與有限元方法相結合的方式對現澆混凝土箱梁早期裂縫的成因進行研究。

1 工程概況

國道527(嵊州段)主線全長4.276km,總體走向自東南向西北,共設大橋1 027.8m(2座),互通式交叉匝道橋249m(1座),均采用雙向4車道一級公路標準,主要技術標準為:設計荷載為公路-I級,設計速度40km/h,橋梁寬度10m,橋梁設計基準期100年。本標段內現澆箱梁共3聯,為東葉家互通A匝道橋第3～5聯,跨徑為3×25m+(29+30+28)m+(28+30+29) m;梁高2.0m,橋面寬度10m,下部結構橋臺采用座板臺,橋墩采用柱式墩,墩臺采用樁基礎。箱梁結構主要尺寸為:橋面寬度10m,底板寬度6m,梁高2m,挑臂長度2m,頂、底板厚度25～50cm,腹板厚度50～80cm,支座間距4.6m。

因工程需要,施工單位依據相關技術規程和標準[9-10]對A匝道橋第3聯箱室進行裂縫檢測。裂縫的寬度、長度、深度分別采用裂縫寬度觀測儀(ZBL-F130)、鋼卷尺、非金屬超聲檢測儀(ZBL-U520)進行檢測。如圖1所示,所有裂縫均位于箱梁頂板,第3聯1號箱室有9條裂縫,總長15.3m,裂縫寬度在0.100～0.014mm,其中裂縫最長為2m,裂縫深度最大為22.3mm;第3聯2號箱室有7條裂縫,裂縫總長17.40m,裂縫寬度在0.100～0.192mm,其中裂縫最長為5.3m,裂縫深度最大為21.3mm;第3聯3號箱室有2條裂縫,裂縫總長5.23m,其中裂縫最長2.73m,裂縫寬度在0.055～0.096mm,裂縫深度最大為12.2mm。箱室裂縫分布如圖2所示。

圖1 第3聯各箱室裂縫

圖2 第3聯各箱室裂縫分布

2 裂縫成因分析

A匝道現澆梁地基處理及支架預壓均嚴格按施工方案施工,堆載預壓采用水袋預壓,如圖3所示,預壓數據穩定后進行卸載,部分預壓監測結果如表1所示。本項目現澆箱梁裂縫表現為:裂縫多為表面性的不規則、不連貫微裂縫,寬度0.05～0.2mm,較薄的梁板中多沿其短向分布。表面橫向裂縫及斜向裂縫位置集中在箱室頂板,底腹板均未發現裂縫,同時,頂板裂縫為在鋼束張拉前早期形成,為非結構性裂縫。推測箱梁裂縫并非是因為地基或支架沉降而造成的受力裂縫。

表1 A匝道第3聯8～9號墩現澆梁翼緣板預壓沉降成果

圖3 水袋預壓

東葉家互通A匝道第3聯頂板混凝土澆筑當天為陰天,溫度在25～32℃。澆筑前內箱模板未進行灑水保濕,澆筑采用1臺泵車,澆筑順序由低到高。澆筑完成后未進行混凝土收面,采用土工布覆蓋灑水養護。由于現場養護不到位,箱室內因模板未拆除不能及時進行灑水養護。在箱梁澆筑前未灑水濕潤模板,造成模板吸取混凝土表面水分,高溫天氣造成水分蒸發過快。同時,施工周期跨越汛期及高溫季節、混凝土分層澆筑齡期差,混凝土導熱性較差,會產生較大溫度應力[11-14]。此外,施工養護、鋼束張拉齡期、混凝土收縮徐變也是頂板形成裂縫的主要原因。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用有限元分析軟件ABAQUS模擬溫度對預應力混凝土箱梁早期裂縫的影響。考慮模型計算效率,選取東葉家互通A匝道橋第3聯第1跨進行建模分析,模型尺寸如圖4所示。混凝土密度為 2 600kg/m3, 彈性模量取34.5GPa,泊松比、線膨脹系數分別取0.2,1.0×10-5/℃。同時,在短期溫度作用下,不考慮混凝土的彈性模量折減問題[11]。

圖4 有限元建模(單位:cm)

結合當地環境溫度并參考文獻[15]設置3種溫差工況,工況1為10℃,工況2為15℃,工況3為20℃。混凝土箱梁模型在工況2作用下的應力分布情況如圖5所示。由圖5可知,頂板橫橋向應力水平整體較低,而順橋向應力較大,因此對混凝土箱梁頂板縱向應力進行分析。同時,在頂板順橋向定義3條應力路徑,提取并分析各路徑的應力水平,路徑1～3如圖6所示,路徑1為順橋向頂板表面橫向中點位置,路徑2為順橋向頂板表面橫向1/3處,路徑3為順橋向腹板上部對應頂板表面位置。

圖5 混凝土箱梁工況1應力水平

圖6 各工況路徑

3.2 分析與討論

各路徑的應力分布如圖7所示。由圖7可知,3條路徑對應不同工況作用下呈現出相似的規律,應力水平均在各路徑中部達到峰值。對于路徑1,各工況下應力水平整體上先上升后下降。還可發現溫差越大,頂板路徑1的應力越大,工況1的峰值應力為1.57MPa,工況2的峰值應力為1.76MPa,工況3的峰值應力可達1.93MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應力高22.93%和9.66%。對于路徑2,工況1的峰值應力為1.61MPa,工況2的峰值應力為1.81MPa,工況3的峰值應力可達1.96MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應力高21.74%和8.29%。對于路徑3,工況1的峰值應力為1.66MPa,工況2的峰值應力為1.87MPa,工況3的峰值應力可達2.02MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應力高21.69%和8.02%。

圖7 各路徑應力分布

由以上分析并結合圖6可知,在橫橋向,頂板應力整體水平較低,遠低于頂板順橋向應力;在順橋向,溫度作用對混凝土箱梁頂板跨中影響最大,且溫差越大,產生的順橋向應力越高。在橫橋向,溫差導致混凝土箱梁頂板產生的順橋向應力呈現出越靠近腹板位置產生的應力越小,而越靠近橫橋向中部產生的應力越大的規律。混凝土箱梁頂板由于溫度作用產生的順橋向應力越大,就越易出現橫向裂縫病害。在本工程中,第3聯共出現18條裂縫,均為橫向裂縫,且靠近跨中位置的裂縫占60%以上,與有限元分析規律較吻合。

4 裂縫處治與防治

4.1 溫度裂縫修復

本工程裂縫寬度均<0.2mm,小于GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中三級裂縫控制等級。裂縫處治時,應根據裂縫寬度采取相應的處治措施。裂縫寬度≥0.1mm時,首先采取鋼絲刷等對縫口除污,并通過壓縮空氣對裂縫內部進行處理,隨后依次進行騎縫膠騎縫埋設、粘貼注漿底座(見圖8)及封縫膠封縫。待封縫結束后,配置灌漿料,以0.2～0.5MPa的壓力注漿,注漿完成后及時將注漿孔封閉,膠體完全固化后對表面進行打磨處理。裂縫寬度<0.1mm時,可在清理裂縫后直接刮抹專用的封閉結構膠,最后待膠體固結后進行打磨處理。

圖8 粘貼灌漿底座

4.2 溫度裂縫預防

現澆箱梁由于強度生成過程中自身產生的水化熱和日照溫差等因素導致混凝土表面與內部產生一定溫差,從而產生了溫度變形和溫度應力,進一步會導致混凝土表面出現開裂情況。此種開裂并不少見,后續裂縫處治對工期影響較大,因此工程上仍需采取相應的溫度裂縫預防措施。針對本工程中頂板開裂情況和有限元分析結果,提出以下預防措施:①優化混凝土配合比,采用低水化熱水泥,降低水化熱;②根據不同季節,采取適當的施工措施,夏季溫度較高,混凝土澆筑前應注意充分浸濕模板,澆筑時分層澆筑并盡量避免正午施工,24h飽水養護,冬季溫度較低,采取設置保溫層等保溫方式,降低溫差引起的溫度應力;③適當增加抗裂纖維,增強混凝土的抗裂能力。

5 結語

1)國道527(嵊州段)現澆箱梁施工過程中出現了早期裂縫,結合地基處理、支架預壓等工序的施工記錄及裂縫特征進行分析,排除了地基、支架沉降原因,推測為養護不到位等原因導致混凝土表面內外溫差過大而引起的裂縫。

2)由有限元分析可知,溫差對預應力混凝土箱梁頂板順橋向的影響較大,更易在順橋向引起較大的溫度應力,從而引發頂板橫橋向裂縫病害。

3)混凝土導熱差,為避免預應力混凝土箱梁產生早期裂縫,需根據不同季節設置不同的防治措施;當裂縫產生時,需根據其裂縫寬度進行精準處治修復。