悬浇连续箱梁齿块崩裂原因分析与加固研究

曾明辉 陈竹林

0 引言

悬浇连续箱梁桥被广泛应用于公路桥梁之中，箱梁预应力钢筋张拉往往采用的是后张法，预应力在齿块锚头区域形成应力集中，齿板锚垫板区域应力较复杂，由于在设计中考虑不周和施工不到位，引起部分桥梁在合龙张拉预应力钢筋时，引起齿板底板崩裂，本文结合乐安河特大桥为工程实例，对其崩裂的原因进行分析。

1 工程实例

乐安河特大桥主桥为45m+3×70m+45m变截面三向预应力连续单箱单室箱梁结构，桥面宽度29 m，采用挂篮悬臂浇筑法施工，箱梁除0号块外，纵向分段长度为3 m+4×3.5 m+3×4 m。各墩施工阶段T构体系箱梁墩顶0号块长10 m，中跨、次中跨、边跨合龙段长度均为2 m，边跨现浇段长度为8.86 m，连续箱梁主桥墩为16号、17号、18号、19号墩。

主桥箱梁设计采用三向预应力，纵、横向预应力采用φj15.24钢绞线，纵向每束钢绞线股数分别为15股和9股，横向钢束每束3股，间距为50 cm，纵向钢束张拉控制应力为1 395 MPa和1 339.2 MPa(仅第二批张拉的连续底板束采用)，横向钢束张拉控制应力采用1 339.2 MPa，竖向预应力筋采用直径为25高强精轧粗螺纹钢筋，沿全桥箱梁腹板内布设，间距分别为50 cm和100 cm，其张拉控制应力为319 kN。

主桥体系转换按照从边跨向次中跨、中跨逐步合龙的顺序进行。乐安河特大桥右幅边跨(19号～20号墩)于2007年4月20日凌晨1:00进行合龙段混凝土浇筑施工，4月24日进行边跨合龙段纵向预应力钢束张拉，按设计控制应力及张拉顺序完成后，上齿块端部与顶板混凝土接触处出现细小裂缝。该边跨张拉后，解除19号墩的临时支座。次中跨(18号～19号墩)于2007年4月30日1:20进行合龙段混凝土施工，5月3日进行纵向预应力张拉，3日晚11:40张拉完底板2LCB7，4LCB5，2LCB3’，6LCB3，4LCB1钢束，未出现异常现象，接着张拉顶板OVM15-15 4LCD1钢束，1号、4号束张拉完成，当张拉3号束至设计控制应力的83% (即1 158 MPa，占总设计应力的70.75%)时，19号墩8号上齿块根部至合龙段肋板处顶板混凝土突然爆裂，波纹管下崩，钢筋变形，相对应的18号墩齿块也出现裂纹。15号墩现浇段于5月4日浇筑，并于5月14日凌晨1:15进行15号～16号边跨合龙段混凝土施工，5月17日进行合龙段纵向预应力束张拉施工，底板束按设计要求张拉完成后，于17日下午3:00开始张拉顶板钢束，先张拉OVM15-9 4LSD2钢束，未出现异常，当张拉到第一束LSD1且应力值刚好达到设计控制应力1 395 MPa(顶板束张拉应力占总设计应力的62.5%)时，15号墩现浇段倒角与顶部相接部分出现混凝土崩裂，造成波纹管下崩，局部钢筋变形。

2 崩裂原因分析

2.1 设计方面原因

1 )箱梁的空间效应考虑不周。a.连续刚构桥一般采用平面杆系有限元程序进行计算，不能准确反映箱梁的空间应力状态。底板法向应力给出的是横向均匀分布值，尤其是底板较宽，剪力滞效应显著和纵向钢束横向分布不均匀时，按平面杆系计算的应力与实际应力有较大出入;b.由于三向预应力的应用，出现了大量的宽体、薄壁箱形截面连续梁。常规设计计算通过建立平面杆系模型，利用等效荷载代替预应力筋进行分析，由于平面杆系模型自身的局限性，这种简化分析会导致一定的误差;c.在预压力的作用下，由于泊松比效应箱梁底板会产生横桥向和竖向拉应力，这些拉应力可能会超出混凝土的允许抗拉强度而造成破坏。

2 )对预应力钢束引起的径向力的不利影响估计不足，主要反映在:a.没有或较少考虑施工误差对波纹管线形的影响，使理论计算径向力往往小于实际的径向力;b.没有或较少考虑箱梁剪力滞的影响，使计算的局部应力小于实际值;滞效应在混凝土箱形梁设计中应该考虑，特别是簿壁箱形宽翼缘截面，不能忽视其剪力滞效应。对箱形截面的剪力滞效应问题，比较各国现阶段箱形梁桥规范设计，可参考德国规范DIN1075“关于共同作用宽度”的条文规定执行。

3 )对波纹管定位钢筋重视不够，有的设计定位钢筋偏少，没有采取可靠措施，确保定位钢筋准确牢固，使其能承担混凝土浇筑时的振动力而不发生变位。

4 )钢束布置过多过密。预应力筋未布置在腹板和梗腋处，导致底板预应力管道过密，管道间距或管道中心距底板下缘距离偏小。

5 )防崩钢筋构造设计存在不足:a.防崩钢筋直径偏小，数量偏少。b.防崩钢筋与上、下层钢筋未紧密连结，甚至没有箍住上、下层的横向钢筋，难以发挥抵抗径向力的作用。

2.2 施工方面的原因

1 )波纹管的安装位置与设计出入较大，或定位钢筋与梁内普通钢筋骨架的连结不牢固，浇筑混凝土时波纹管产生变形或位移，特别是悬浇合龙时，若存在较大的合龙高差，却不采取相应的措施处理就合龙，都可能减小节段的转角，从而加大下崩力;2)底板内波纹管与普通钢筋密集，发生干扰时，随意变动或取消部分防崩钢筋。操作困难时，部分防崩钢筋没有箍住底板上、下层钢筋，起不到防崩的作用;3)张拉钢束时，混凝土强度未达到施工规范的要求，或者弹性模量偏低，施加预应力后，变形较大;4)箱梁的腹板承受各种荷载组合下的主拉应力或主压应力，腹板的厚度较设计厚度减薄将进一步削弱腹板斜截面的抗剪能力，甚至会导致腹板开裂。因此施工过程中因模板安装不好导致的腹板厚度过薄将直接影响到腹板的抗裂性能，过厚又增加了悬臂箱梁的重量;5)由于施工的过程控制不严而可能出现钢筋连接质量差、绑扎不到位、混凝土拌和及振捣质量差、模板安装不牢固，从而导致漏振、蜂窝、麻面、露筋、漏浆、错台等质量问题。

3 加固处理措施

考虑到各合龙段齿块混凝土均已浇筑，按设计要求校正各束孔道的位置，施工方工作量及难度非常大，施工周期短等原因，采取以下措施进行处理:1)波纹管必须重新按设计曲线要素准确定位，用定位钢筋固定;2)适当降低预应力;3)在波纹管曲线段增加防崩钢筋;4)在次中跨、中跨合龙段增加抗拉钢筋。对已破坏的齿块处理。具体方法如下:1)先放松预应力束;2)将已破坏的波纹管下方的混凝土及齿块范围内波纹管以下混凝土全部凿除，波纹管以上及周围的混凝土如有裂缝则一并凿除;3)检查钢筋，若比设计图纸少则应补足;4)在波纹管曲线段增加部分箍筋，用风钻钻孔穿过顶板上方，环形箍住波纹管及顶板;5)重新用环氧树脂混凝土(C50)浇筑齿块及其他凿除的部分;6)齿块或顶板出现较细小的裂缝部分用环氧树脂或其他修补材料压浆;7)当环氧树脂混凝土浇筑的齿块达到龄期后，先对称同时张拉两边的1号、4号钢束;之后再尽量同时张拉中间2号、3号钢束;8)降低顶板束张拉控制应力，每束张拉控制力采用张拉控制应力906.75 MPa; 9)在合龙段桥面增加钢筋。

4 结语

通过以上对乐安河特大桥齿块崩裂原因分析与加固措施，对悬浇箱梁设计与施工值得注意和改进的地方，归纳为以下几点: 1)预应力束曲率效应产生的下崩力以及施工误差造成的预应力曲率效应的增大是导致底板混凝土崩裂破坏的主要原因，在设计与施工中需要注意;2)设计上应考虑实际施工误差等不利因素的影响，在底板内增设箍筋和其他抗剪钢筋，有效抑制混凝土的局部崩裂。施工上必须严格按照图纸设计进行施工;3)施工中要严格按图纸施工，预应力波纹管道的定位要确保准确;4)施工时一定要按照实际的设计施工，要特别注意波纹管的定位、防崩钢筋的设置、底板和腹板浇筑、预应力张拉、管道压浆密实等。

［1］ 项海帆.高等桥梁结构理论［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［3］ 严允中.连续刚构桥箱梁底板崩裂原因及预防措施［J］.公路交通技术，2006，12(6)：23-24.