空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策

2011-03-18赵华庆史卫滨

铁道建筑 2011年3期

关键词：板梁梁体空心

赵华庆，史卫滨

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100096;2.中铁二十三局集团第一工程有限公司，山东日照 276826)

空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策

赵华庆1，史卫滨2

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100096;2.中铁二十三局集团第一工程有限公司，山东日照 276826)

底板纵向裂缝是空心板梁的通病之一，本文从设计、施工、运营等方面对引起底板纵向裂缝的原因进行了分析，并结合试验说明了底板纵向裂缝对梁体受力的影响，在此基础上提出了空心板梁底板纵向裂缝的四种加固方案。

纵向裂缝成因分析加固对策

1 工程概况

混凝土空心板梁具有结构简单、施工方便、用材经济、建筑高度低、吊装质量轻，易于实现标准化和工厂化制作，是公路和城市中小跨度桥梁中广泛采用的一种结构形式。根据笔者近几年的桥梁状态调查结果表明，目前混凝土空心板梁底板普遍存在纵向开裂的现象，这类裂缝既存在于普通钢筋混凝土空心板梁中，也存在于预应力钢筋混凝土空心板梁中(包括先张法和后张法空心板梁);既存在于边梁中，也存在于中梁中。部分裂缝在梁体预制完成拆模后即出现，有些裂缝在桥梁正常运营一段时间后产生。由于空心板梁是以纵向受力为主的受弯构件，当底板出现裂缝后，其产生的原因及对结构的影响就成为了工程建设者和管理者所关注的问题。本文结合笔者多年从事检测、设计及加固施工的经验，对上述两个问题进行了分析和探讨，以便为同类工程提供参考和借鉴。

2 裂缝形态及对结构受力的影响

空心板梁底板纵向裂缝一般分布在空心板梁跨中位置附近，多数裂缝贯穿了空心板全长，从支点一直延伸至跨中，直至另一个支点。但也有部分空心板梁裂缝并不连续，仅在局部开裂，而且跨中纵向开裂多，支点附近开裂少。从历年的检查结果来看，空心板梁纵向裂缝宽度一般在0.1～0.3 mm左右，部分较严重的裂缝宽度超过1.0 mm，大多数的裂缝宽度已经超过《公路桥涵养护规范》(JTGH11—2004)对预应力构件纵向裂缝宽度的限值(0.2 mm)。

文献［2］指出，底板存在纵向裂缝的梁，其承载能力仍能满足要求，但个别裂缝较严重的梁的挠度、应力值的校验系数呈离散情况，这说明纵向裂缝对空心板梁的纵桥向承载能力影响不大，但较严重的裂缝对梁体的整体性和刚度产生影响。文献［1］表明，由于纵向裂缝的存在，空心板梁由原来的闭口截面变成了开口截面，梁体抗扭刚度显著降低，各空心板梁横向连接刚度明显减弱，荷载横向分布系数增大，这样势必导致主梁纵向受力增大，使空心板梁存在产生横向裂缝的隐患。本文选取了某高速公路存在底板纵向裂缝的空心板梁进行了实桥试验，并将试验结果与理论计算结果(按未开裂截面计算)进行了对比，结论与文献［2］结果基本一致，纵向裂缝对空心板梁的承载能力影响较小，实测梁体横向分布影响线较为平滑，影响线形态与未开裂截面的计算结果形态较为接近，表明梁体底板纵向裂缝对梁体横向分布影响较小，对结构整体工作状况影响不大。

3 成因分析

空心板梁底板纵向裂缝的产生原因主要包括设计、施工及运营三个方面：

1)设计方面。早期空心板梁设计由于经济因素制约，其底板厚度较薄(一般为10～12 cm左右，部分梁体优化设计后底板厚度更薄)，薄壁结构在纵向受力时其截面将发生畸变变形，同时在底板上下缘产生畸变弯曲应力，当畸变拉应力超过混凝土的抗拉强度，势必导致底板产生纵向开裂。若底板横向构造配筋较少，则钢筋无法限制纵向裂缝的扩展(底板横桥向为普通钢筋混凝土结构)，这也是底板纵向裂缝宽度一般较大的原因之一。

2)施工方面。施工工艺引起空心板梁底板产生纵向裂缝的因素较多，其中预应力因素较为关键。正常状态下施加预应力，预应力将对截面产生轴向压力和弯矩，由于混凝土材料的泊松效应，在轴向压力作用下底板将产生横向拉应力，此应力与截面的畸变应力组合后往往大于混凝土的抗拉强度，这就是产生纵向裂缝较为普遍的原因之一。若后张法预应力管道定位不牢固，预应力钢束在浇筑混凝土后出现起伏状，则张拉钢束时预应力的径向力将导致底板出现局部开裂。曾对部分出现纵向裂缝的空心板梁进行了验证，发现底板出现裂缝与定位钢筋间距太大或定位不牢固有直接关系。

此外，空心板梁混凝土质量较差、振捣不密实、内模下沉导致底板厚度偏薄等因素均可引起底板产生纵向裂缝，但上述因素可以通过加强施工管理来解决，不具有普遍性。

3)运营方面。大量的日常检查结果表明，采用四个板式橡胶支座的空心板梁极易出现支座局部脱空、整体脱空甚至支座缺失的情况。若空心板梁支座出现病害，则梁体受力偏移设计意图，空心板梁约束扭转内力加大，在约束扭转的作用下截面同样产生畸变弯曲应力，也是引起空心板梁底板纵向裂缝的原因之一。

文献［4］认为空心板梁底板纵向裂缝应由空心板内外温差所引起，并指出底板对内外温差较为敏感，而顶板不敏感，并建议在空心板梁底板开通风口。笔者认为空心板梁内外温差对底板受力影响较小，一方面是空心板梁壁厚较小，热传导很快就能完成;另一方面中板受外界环境温度影响较小，但中板出现底板纵向裂缝亦是普遍现象。

综合以上分析，空心板梁底板纵向裂缝应是上述三个方面因素单独或综合的体现，亦不排除是混凝土收缩产生早期裂缝，在荷载作用下扩展形成最终的底板纵向裂缝。

4 加固对策

从上述分析可知，底板纵向裂缝对空心板梁承载能力影响较小，但空心板出现裂缝后，其抗扭刚度降低较多，不利于梁体的受力。此外，裂缝对空心板梁的整体性及耐久性亦有显著的影响。鉴于此，针对空心板梁底板纵向裂缝，目前的加固措施主要有以下四种：

1)裂缝处理。按照《公路桥涵养护规范》(JTG H12—2004)的要求，当裂缝宽度在限值范围内时，进行封闭处理，一般涂刷环氧树脂胶;当裂缝宽度大于限值规定时，采用压力灌浆法灌注环氧树脂胶或其它灌缝材料。裂缝宽度限值一般可取0.15 mm。

2)粘贴纤维材料。为了防止水气进入空心板梁腐蚀钢筋，同时为了增强空心板梁的整体性，可采用沿裂缝粘贴双向纤维材料的办法对裂缝进行全覆盖，纤维材料的宽度一般30～50 cm，可采用的纤维材料包括碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维，但由于加固部位暴露在大气中，纤维材料及粘结剂的老化和耐久性问题较为突出。

3)粘贴钢板。先根据裂缝宽度分别采取封闭或灌注的方法对裂缝进行处理，然后为了限制裂缝的进一步扩展，采用横向粘贴钢板条的方法进行加固，钢板条一般宽度为10～15 cm，厚度为6～8 mm，钢板条的纵向间距目前尚无统一规定，部分桥梁纵向间距为30～50 cm，部分桥梁纵向间距为1.0～2.0 m。笔者建议跨中可适当减小间距，支点附近可适当增大间距。

4)内灌高标号砂浆。此方案一般在处理底板厚度偏薄及底板出现纵向裂缝时采用，施工时在底板内钻进浆孔和出浆孔，然后往空心板空腔内灌流动性较好高标号砂浆，当砂浆达到一定厚度后即可从出浆孔流出，既可以增加底板厚度，又可以限值裂缝的进一步扩展。此方案须严格控制灌入的砂浆数量，防止梁体恒载增加过大。