某大跨徑預應力混凝土箱梁橋裂縫成因與養護對策分析

孫雅旺

摘要 公路橋梁作為重要的交通基礎設施，在社會經濟發展中發揮著十分重要的作用。但隨著服役年限不斷延長，公路橋梁逐漸暴露出一系列質量病害，其中以裂縫最為普遍，嚴重影響橋梁使用安全，縮短運營年限。為有效提高橋梁裂縫維修加固效果，保證橋梁使用安全，文章依托某橋梁工程養護實踐，通過病害調查，確定了預應力混凝土箱梁主要病害情況，系統分析了混凝土箱梁裂縫形成原因，并提出了針對性養護對策，旨在為同行提供參考、借鑒。

關鍵詞 公路橋梁工程；箱梁裂縫；成因分析；養護對策

中圖分類號 TU755.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0141-04

0 引言

預應力混凝土箱梁橋作為公路橋梁工程建設中常用的結構形式，具有承載能力強、穩定性好、剛度大等優點，已成為當前應用最為廣泛的橋型。但由于交通荷載、外部環境及施工缺陷等各方面因素影響，部分運營中的橋梁結構出現了各種形式的裂縫問題，造成橋梁承載能力顯著降低。針對橋梁裂縫科學分析形成原因，并采用針對性措施進行修復處理，是保證橋梁安全穩定運營的根本保障。為此，該文依托某公路橋梁案例，對橋梁裂縫成因及養護對策實施綜合分析[1]。

1 工程概況

某公路橋梁項目，采用預應力混凝土連續箱梁結構，全長2 590 m，主橋采用雙索塔斜拉橋，設計跨徑430 m，橋跨組合為（80+90+190+430+190+90+80）m，其中80 m、90 m跨為單箱單室箱形結構，底部及頂部寬度分別為10.5 m和20 m，端部與跨中高度依次為6 m和2 m，具體如圖1所示。為提高箱梁整體穩定性，避免產生結構變形，在箱梁高度較小部位設置中腹板（無支座），使其成為雙室結構，并沿橋梁縱向設置斷縫，消除中腹板位置剪力作用。此外，將90 m跨箱形結構轉變為肋板截面，并使箱梁頂部、底部寬度拓寬至與肋板截面寬度相同，具體如圖2所示。

2 箱梁主要病害

2009年對橋梁結構實施全面質量檢測，結果顯示箱梁底板、腹板及頂板位置均存在不同程度的裂縫，其中頂板裂縫相對較少（4條），腹板、底板位置裂縫較多。具體情況如下：

2.1 箱梁腹板斜裂縫

箱梁腹板裂縫以斜度45°斜裂縫為主，集中出現在梁跨四分之一截面重心上部區域，但未發展到翼緣板位置。

箱梁腹板內外兩側均存在裂縫，內側裂縫相對較大，縫寬處于0.3 mm范圍內，其中0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂縫占比分別為23.91%和52.17%；而外側縫寬為0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂縫占比依次為86.49%和10.81%。

2.2 墩頂橫隔板裂縫

墩頂橫隔板位置所受到的支反力較大，該部位所形成的裂縫主要以人孔為中心向四周發散，最大縫寬為3.2 mm。

2.3 箱梁底板裂縫與開裂

箱梁底板裂縫呈現底面多、頂面少的分布特征，并且存在1條底板、腹板貫通裂縫，縫寬為15 mm。此外，在截面過渡段底板底面存在混凝土空洞現象。

3 裂縫成因分析

為全面探究該橋梁結構裂縫形成的具體原因，根據橋梁裂縫實際情況，對橋梁受力特征實施綜合分析，并以此為基礎對箱梁斷面實施力學分析[2]。

借助數值模型對橋梁整體受力狀況實施計算分析，根據橋梁結構實際情況進行單元劃分，共包括550單元，參照《混凝土結構橋梁設計規程》相關規定科學設定各項技術指標，并采用A類結構標準實施檢驗。荷載組合形式為：恒載+車載+人群荷載+整體溫差+截面溫差[3]。

根據數值模擬結果，箱梁整體性能良好，抗壓強度等各項指標完全符合標準要求，但其斜面抗裂驗算不符合規范要求，短期效應組合下，上緣正應力及主拉應力均顯著高于標準水平，實際檢測結果如表1所示。

3.1 腹板斜裂縫產生原因

箱梁腹板開裂原因為：①主拉應力較大；②縱向預應力筋較短，導致伸長量不足；③預應力張拉階段各方面因素影響導致損失較大。通過結構受力分析，箱梁腹板裂縫的根本原因在于主拉應力較大，其裂縫形式以結構性裂縫為主。箱梁主要受力形式如圖3所示。

3.2 橫隔板裂縫成因分析

橫隔板作為箱梁結構重要組成部分，可顯著提升結構穩定性，但其受力形式相對復雜，尤其當其表面存在施工洞口的情況下，處治不當極易引發結構裂縫問題。為有效探究墩頂橫隔板裂縫成因，利用ANSYS10.0系統構建有限元分析模型，對墩頂受力情況實施模擬分析，其有限元模型如圖4所示。

經模擬計算，橫隔板橫、豎向應力分布特征，如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知：應力超過1.5 MPa的區域分布于人孔周邊（應力低于1.5 MPa的區域為灰色）。橫隔板應力分布形式和裂縫高度吻合，沿人口位置向周邊延伸，詳細情況如圖7所示。

3.3 底板裂縫與開裂原因分析

箱梁底板裂縫主要是由外部荷載作用所致，其中大部分為施工荷載引發的裂縫。該橋梁結構局部位置由單箱單室結構轉變為單箱雙室結構，使縱向預應力筋布設截面顯著增大，有效減小了截面主拉應力，但也在一定程度上增大了結構自重與施工難度；此外，在箱梁端部結構截面出現較大變化，進一步增大了底板受力復雜性，處治不當極易造成底板開裂[4]。通過有限元分析軟件對底板裂縫實施計算分析，底板位置存在兩個部位主拉應力較大，介于3.0～3.9 MPa范圍內，受此應力作用箱梁底板會產生開裂。箱梁底板開裂除與外部荷載作用有關，還與施工因素存在一定關系，具體如下：

（1）底板預應力施工時，由于張拉設備、工藝等各方面因素影響，導致張拉力較低或損失較大，造成有效應力達不到規范要求，加之預應力孔道位置偏差，導致張拉施工時產生應力集中現象。

（2）底板鋼筋密度過大，造成混凝土振搗困難，密實度達不到標準要求，并且混凝土產生離析現象。

（3）掛籃模板施工不規范，導致混凝土澆筑時出現漏漿現象，使水泥含量減小，混凝土密實度降低，經荷載持續作用，出現骨料松散、脫落現象。

（4）混凝土養護不到位，結構承載能力達不到標準要求，當行車荷載較大時，結構產生裂縫現象。

4 病害處理

4.1 一般性非結構受力裂縫處理

針對一般性非結構性裂縫，可采取表面封閉與壓力灌漿方式實施處理：①當縫寬小于0.15 mm時，利用環氧膠泥進行修復處理；②當縫寬超過0.15 mm時，通過灌注環氧樹脂方式進行修復處理。

4.2 箱梁腹板斜裂縫處理

箱梁腹板斜裂縫主要由外部荷載作用引起，為典型的受力裂縫，會在一定程度上降低結構剛度，并對橋梁使用壽命造成不利影響，因此須采取必要措施進行加固處理[5]。先修復結構裂縫，再在開裂部位設置鋼板，并利用錨栓實施加固。因腹板裂縫具有一定的傾斜角度，所以，實際施工時，鋼板應沿裂縫走向設置，最大限度保證處治效果。

4.3 箱梁頂板裂紋處理

箱梁頂板裂縫成因較多，具體包括恒載作用、交通荷載、溫度變化等，若要從根本上杜絕箱梁頂板裂縫問題，應從結構受力及構造形式兩方面加以控制。不僅需根據相關標準要求計算交通荷載作用下的橫向內力，還應充分考慮溫度變化的影響。針對已出現的結構裂縫先實施封閉處理，然后采取粘貼碳纖維材料進行維修加固。

4.4 箱梁底板開裂處理

針對箱梁底板外側裂縫，應先采用水泥砂漿實施修復處理，確保混凝土松散、脫落位置形成整體結構，然后將空洞部位混凝土完全鑿除，并采用相同等級的混凝土填補平整，最后在裂縫表面粘貼鋼板進行加固處理。針對由于預應力不足導致的結構裂縫，通過增設體外預應力筋實施補張拉處理，待張拉完成后再實施灌漿加固；針對其他形式的裂縫，應先對裂縫實施修復處理，并在裂縫表面粘貼鋼板，而針對裂縫較多的部位采取布設對拉鋼板的方式實施加固處理。

4.5 鋼板粘貼基本要求

鋼板粘貼基本要求如下：

（1）為有效增強裂縫處治效果，保證結構整體安全性、穩定性，必須保持箱梁腹板外側加固鋼板走向與裂縫主拉應力方向相同；針對其他部位的裂縫，應根據箱梁結構形式合理確定鋼板加固方向。

（2）為避免因鋼板加固造成的應力集中現象，鄰近鋼板端部應設置成鋸齒形，進行交錯連接，以有效增強加固效果。

（3）在確保加固鋼板牢固可靠的前提下，錨栓位置應交錯布置，以有效降低對混凝土結構的破壞程度，保證結構完整性。

（4）錨栓選用化學錨栓，禁止使用膨脹錨栓。

（5）粘鋼加固采用的錨固膠，在?40～+80 ℃環境中，持續剪切應力作用下位移不超過2 mm，相關性能指標應滿足現行《公路橋梁工程加固技術規程》相關規定。

4.6 防腐處理

橋梁維修加固完成后，為有效提升結構抗腐蝕性能，保證橋梁耐久性、美觀性，需對維修部位實施防腐處理，以便后續檢查裂縫發展情況。

（1）加固鋼板防腐處理流程：拋丸除銹+環氧涂層封閉+雙層環氧樹脂面漆，最小漆膜厚300 μm。

（2）針對未采取粘鋼加固部位，按照上述流程直接涂刷于結構混凝土表面即可。

5 結論

綜上所述，采用該文方法對橋梁結構裂縫病害實施加固處理，橋梁運營5年后，對處治部位實施檢測分析，總結出如下結論：

（1）預應力混凝土箱梁施工時，應強化對腹板施工質量管控，嚴格控制腹板寬度、主拉應力等各項指標，確保處于規范及設計允許范圍內，最大限度保證箱梁質量。針對主拉應力較大導致的箱梁腹板開裂，可采取粘鋼加固方式進行處治。

（2）針對箱梁結構開裂，采取修復裂縫+粘鋼處治方式效果顯著。而針對頂板開裂通過修復裂縫+碳纖維方式實施加固；針對底板裂縫采用封閉+對拉鋼板進行加固。

（3）箱梁腹板外側加固鋼板走向與裂縫主拉應力方向相同；其他位置的裂縫，應根據箱梁結構形式合理確定鋼板加固方向。

（4）為避免因鋼板加固造成的應力集中現象，鄰近鋼板端部應設置成鋸齒形，進行交錯連接，以有效增強加固效果。

（5）橋梁維修加固完成后，應對加固部位實施防腐處理，以有效提升橋梁耐久性、美觀性，且便于檢查后續裂縫發展情況。

參考文獻

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