预应力混凝土连续箱梁裂缝成因及防治

2010-08-15高玉英

山西建筑 2010年27期

高玉英

预应力混凝土箱梁桥是桥梁结构中常见的一种桥型,从其受力特点看,这种结构形式的抗弯和抗扭刚度都较大,有足够的混凝土截面来承受正负弯矩的作用,加上预应力的优点,使这种结构形式非常适应大跨径结构。然而随着该桥型的广泛使用,有关该桥型出现病害的报告也越来越多,最突出的是箱内裂缝,其主要分布在横隔板、顶板底部和腹板部分。箱内裂缝如果处理不当,将给结构物的强度、刚度带来一定的危害甚至影响使用寿命。本文结合工程实例对预应力混凝土箱梁裂缝的成因进行分析并提出相应的防治措施。

1 工程概况

集老高速公路6标段分离式立交桥,本桥上部结构为3孔一联(16.6+34.4+16.6)m现浇预应力混凝土连续箱梁,结构形式为单箱三室,梁高1.8 m,宽12.4 m,顶板厚18cm,底板厚15cm,腹板厚25cm。下部结构采用Y形桥墩,肋板承台。采用就地浇筑施工法,满堂红支架,满堂布置。

2 预应力混凝土箱梁常见的裂缝

1)腹板竖向裂缝。该裂缝发生在薄腹部分,裂缝方向垂直于梁轴线,由梁的半高线向上、向下延伸。2)腹板斜裂缝。边跨斜裂缝,主要发生在支座附近,斜裂缝的倾角为 45°左右;中跨斜裂缝,主要发生在支座附近,斜裂缝的倾角为45°左右。3)腹板水平裂缝。边跨水平裂缝,主要发生在边端支座附近、腹板的上缘;中跨水平裂缝,主要发生在1/4～3/4跨之间,靠近腹板的上缘。4)底板、顶板平行轴向产生裂缝。5)箱梁横隔板的放射性裂缝。6)预应力锚固部位齿板附近产生裂缝。7)箱梁顶板产生龟裂。

3 预应力混凝土箱梁裂缝成因分析

3.1 主桥总体设计中对箱梁截面尺寸拟定不合理

对于大跨度预应力混凝土箱梁桥,特别是横隔板较少的箱梁在荷载作用下其变形并不完全符合经典梁理论周边刚性假定,会出现截面畸变变形,有关设计单位未考虑箱梁畸变应力是导致箱梁腹板开裂的主要原因之一;箱梁顶板、底板的裂缝是由于箱梁畸变和横向弯曲产生的附加应力导致的;箱梁横隔板的人洞放射性裂缝主要是人洞造成的应力集中产生的;预应力锚固部位的齿板附近的裂缝主要是预加力的局部效应产生的。

3.2 未合理考虑温度应力

本桥位于集宁,施工期为3月～8月,施工期间该地区风速大、气温高,且昼夜温差大。混凝土受水泥水化放热、阳光照射、夜间降温等因素影响而出现冷热变化时,将发生收缩和膨胀,产生温度应力。温度应力超过混凝土抗拉强度时,即产生裂缝。

3.3 混凝土原材料质量缺陷产生裂缝

预应力混凝土对原材料要求特别高,粗集料要求级配良好,如果级配不良会造成沉缩裂缝;细集料要求使用中砂以上砂粒,且含泥量有严格规定;对粗细集料都必须严格控制针片状颗粒含量。如细集料含泥量和泥块含量高,搅拌后就不能拌和均匀,而在泥块集中的部位发生龟裂;粗集料的针片状含量大或者级配不好,就很容易在粗集料周围产生沉缩裂缝;此外如果水泥质量不合格或者发生变质就很容易在水泥结块的地方发生龟裂裂缝。

3.4 混凝土施工工艺不当引起裂缝

施工过程中混凝土搅拌不均匀,致使水泥集中的地方产生散射式裂缝;混凝土分层浇筑时,后浇混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇混凝土初凝前浇筑,引起层面之间的水平裂缝;上料速度慢浇筑时间长或浇筑时气温高,造成坍落度损失,致使振捣困难,甚至造成混凝土强度丢失,从而形成裂缝;施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架产生不均匀下沉导致混凝土出现裂缝;拆除支架时应迅速且顺序正确;张拉预应力筋时张拉力过大使箱梁顶板开裂,如张拉力不足,在荷载作用下底板易产生裂缝。

3.5 养护不当形成裂缝

预应力混凝土养护需水量大,不覆盖任何东西,梁板在空气中不能保湿,也就不能使梁板很好的发生水化作用,提高强度。此外裸露在空气中的箱梁白天会达到很高的表面温度,晚上气温下降,从而产生裂缝。但是也不能覆盖太严密,覆盖太严会造成混凝土大量水化热无法散发而形成温度应力裂缝。

4 预应力混凝土箱梁裂缝防治措施

1)设计时除了按有关规范进行主应力计算外,还要求对各种应力,尤其是局部应力的可能分布状态进行足够的定性分析和必要的定量分析。按经典梁理论计算主拉应力时,还要考虑畸变应力和附加应力,在相应部位增加防裂构造钢筋,避免裂缝发生。2)由温度应力引起的裂缝,在施工时,应尽量选择温度低的时间浇筑(利用早、晚进行施工);热天浇筑混凝土时,应降低水温拌制,合理使用减水剂;加强振捣以减少水化热,大体积混凝土采取分层浇筑的方法,并注意混凝土的养护工作;在腹板处每隔5 m留一个通气孔,可以保证混凝土箱梁在拆模后通风散热,保持体内外温度一致,防止裂缝形成。3)由混凝土质量引起的裂缝,可以通过以下措施防止:应采用高标号的水泥,并掺加适量减水剂,以减少水泥用量,降低水灰比。选用级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的粗细集料,细集料含泥量应小于3%,粗集料含泥量应小于1%。严格控制混凝土拌合物坍落度。4)混凝土施工工艺不当引起裂缝。可以通过以下措施防止:严格按照施工规范操作进行,开工前彻底检查台座、模板以防止出现角落裂缝,彻底检查机器性能及电路防止中途出现故障中断浇筑而造成施工缝及其他缺陷。混凝土浇筑:采用集中搅拌,泵车浇筑,浇筑时由低到高,从支点向跨中对称分层浇筑。混凝土应振捣密实,捣实后1.5 h～24 h之内不得受到振动。待强度达到90%时,拆除模板。改善现场混凝土的施工工艺,均匀设置布料槽,严禁用振捣棒拖曳混凝土,同时注意混凝土的施工防雨、养护及保温工作;结构内部布置防裂钢筋,以提高混凝土的抗裂性能。混凝土强度达到80%后方可进行张拉程序,第一阶段每根钢束两端同时张拉,第二阶段每根钢束在一端张拉,张拉程序由 0到初应力(约 0.1σk)→1.02σk持续5 min→σk(锚固)。5)养护不当形成裂缝。可以通过以下措施防止:混凝土浇筑收浆完成后,应尽快用草帘覆盖和洒水养护,使混凝土表面始终保持湿润状态,不允许使混凝土在高温下裸露暴晒。